Brevet FR2284847A1 — publié le 19760409

La présente invention concerne le réchauffage des demi-produits siderurgi- ques destinés notamment à l'alimentation des trains de laminoirs à bandes. Ce réchauffage effectué entre la coulée de l'acier et le laminoir est destiné à porter les demi-produits notamment les brames à la température qui s'avère la plus favorable au laminage. Ce chauffage doit s'effectuer dans des conditions qui n'altèrent pas le metal et lui donne une tetnpérature honogene dans toute sa masse. Cependant ce traitement qui n'apporte en fait aucune qualité supplémentaire au métal doit entre aussi économique que possible et ne pas entraîner de dépenses qui se répercuteraient de manière importante sur le prix du produit fini. Suivant la taille et la forme des produits à rechauffer on utilise dans l'industrie différents types de cellules tels que les fours pits, les fours poussants et les fours à longerons mobiles. Tous ces fours sont des fours dits i flamme c'est-a-dire chauffés par des rampes de broyeurs alimentés en comburant et combustible. Dans le cas des fours les plus modernes on considere que dans les meilleures conditions d'utilisation la consommation d'énergie thermique est d'environ 450 thermies par tonne d'acier réchauffé pour passer de la température ambiante à une température de laminage de 12500C par exemple. Le contenu calorifique d'une tonne d'acier étant voisin de 200 thermies, on peut admettre que ces fours ont un rendement de l'ordre de 45 %. Le chauffage de ces fours s'effectuant au moyen de broyeurs on utilise comme combustibles en partie des hydrocarbures et en partie des gaz constituant des sous produits de l'usine sidérurgique. En effet toute usine siderurgique produit en différents postes des gaz combustibles qu'il est économiquement intéressant de consommer sur place afin de reduire l'achat de combustible. A titre indicatif la répartition des consommations était la suivante pour l'ensemble des fours de réchauffage de la sidérurgie française. - gaz de cokerie 14,8 % - gaz de haut fourneau 26,5 Z - gaz naturel 24,5 Z - Mazout 23,2 a Ces données concernent les fours pi tus à lingots et les fours à demi-produits puisque dans la majorité des cas les produits siderurgiques subissent deux réchauffages successifs, La consommation totale ainsi échantillonnées représente environ 18.500.106 thermies. On remarque par ailleurs que le mazout et le gaz naturel couvrent près de 60 X des besoins thermiques des fours avec une consommation que l'on peut évaluer à 1,1 million de tonne d'équivalent pétrole.On conçoit que dans le contexte actuel du marché de l'énergie il est essentiel de réduire dans la mesure du possible la consommation de produits pétroliers. En dehors des fours de réchauffage à flamme, des essais ont été entrepris pour utiliser l'énergie électrique comme moyen de chauffage. Cependant cette méthode n'a été pratiquée industriellement que dans le cas d'unités de faihles capacités traitant généralement des aciers spéciaux. Il est néanmoins évident, tout au moins en théorie, que le chauffage électrique des demi-produits présente de nombreux avantages sur les plans les plus divers tels que la souplesse d'utilisation, la précision des réglages thermiques, la réduction de l'oxydation et de la décarburation du metal, l'absence de pollution. En fait le principal obstacle au développement de cette technique était le coot relativement élevé du kilowatt/heure qui représentait sept à huit fois celui du pétrole.Cependant ce rapport aujourd'hui tombé entre deux et trois fois celui du pétrole ne peut qu'évoluer favorablement en faveur de l'énergie électrique. Des installations experimentales ont d'ailleurs déjà vu le jour notamment une installation de réchauffage de brames provenant de lignes de coulée continue. Cette installation de grande capacité permet de réchauffer jusqu'à 600 tonnes/heure de brames. Les brames provenant de la coulee continue sont enfournées plus ou moins chaudes et méme froides dans le four de chauffage par induction. Dans le cas d'enfournement de brames froides la consommation électrique enregistrée est de 325 kilowat/heure par tonne d'acier réchauffe soit 280 thermies ce qui correspond à un rendement de 72 %. On pourrait donc conclure à priori que le chauffage électrique du métal depuis les basses températures jusqu'à la température de laminage constitue le meilleur moyen de réchauffage des produits à laminer. Cependant il ne faut pas perdre de vue qu'une usine sidérurgique produit des gaz combustibles, gaz de cokerie, gaz de haut fourneau que l'on cherche à utiliser au maximum puisqu'ils fournissent des calories bon marché. Or ces gaz ne sont pas utilisés lorsque l'on envisage un chauffage purement électrique. Le but de la présente demande est donc de fournir une solution technique pour réchauffer les demi-produits sidérurgiques permettant de réduire ou de supprimer la consommation d'hydrocarbure, d'utiliser les thermies produites par l'usine et de bénéficier des avantages propres au chauffage électrique. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de rechauffage des demiproduits sidérurgiques en vue de leur mise-en forme par laminage consistant dans un premier temps à chauffer lesdits produits dans un four à flamme alimenté par un combustible jusqu 'à une température inférieure à la température de laminage à transférer les produits dans un deuxième four et dans un second temps à les chauffer jusqu'à la température de laminage choisie au moyen de l'énergie électrique.Selon un mode de nise en oeuvre préféré dans un premier temps on chauffe les produits dans un four à flamme jusqu'à une tenpérature voisine du point de Curie de l'acier enfourné et on transfere ces produits dans un four électrique à chauffage par induction où on poursuit le chauffage au delà du point de Curie jusqu'à la température choisie pour le laminage. L'invention a également pour objet un four pour le chauffage des produits sidérurgiques constitué de deux parties associees la premiere étant un four de chauffage à flamme et la seconde étant une cellule à chauffage électrique. Il est également prévu d'associer éventuellement plusieurs cellules à chauffage électrique à un four a flamme. Le four à flamme dans un mode de réalisation préféré est un four à longerons mobiles. De méme dans le mode de réalisation le plus avantageux il est prévu que la cellule a chauffage électrique soit un four à chauffage par induction. Comme on le comprend l'invention consiste à effectuer le réchauffage des semi-produits en deux étapes, chacune d'entre elles faisant l'objet d'un mode de chauffage différent, le premier étant réalisé dans un four à flamme et le second étant mis en oeuvre dans un four chauffé par l'énergie électrique. On réalise ainsi un chauffage mixte qui représente la solution énergétique la plus favorable compte tenu du contexte d'une usine sidérurgique. Les avantages qui en résultent portent à la fois sur l'aspect economique et sur l'aspect métal lurgique. En effet dans le cas ou le réchauffage est effectué entièrement dans un four à flamme depuis la température ambiante jusqu'à 1200 12500C par exemple, on comprend que le rendement thermique diminue lorsque le métal est porté à haute température. De plus pendant cette période de chauffage à haute temperature on enregistre une oxydation superficielle du métal et une certaine decarburation qui constituent des éléments défavorables pour le laminage ultérieur et la qualité des produits finis. En limitant le chauffage dans le four à flamme ainsi que le fait le demandeur, on travaille uniquement dans le domaine de temperature ou le rendement thermique est le meilleur et on évite à la fois l'oxydation et la decarburation du métal. En ce qui concerne le chauffage électrique pour porter le métal jusqu'à la température de laminage il peut entre réalisé de différentes manières, soit par effet Joule direct dans le produit, chauffage par conduction, soit par effet Joule induit par courants de Foucault, chauffage par induction, soit enfin par rayonnement les parois du four étant chauffées par résistances. Bien que les solutions de chauffage par conduction et par rayonnement ne doivent pas entre négligées il est bien évident qu'industriellement le chauffage par induction s'avère le mieux adapté et le plus facile à mettre en oeuvre technologiquement. On conçoit que cette méthode de réchauffage en deux étapes permet d'optimiser l'opération globale de réchauffage puisqu'elle permet de faire travailler chaque four dans les meilleures conditions tout en permettant d'utiliser les gaz combustibles produits par l'usine. De plus la quantité de gaz nécessaire pour chauffer le four à flamme étant plus faible (température de réchauffage plus basse les gaz produits par l'usine suffisent pour assurer l'alimentation du four ce qui évite le recours à des hydrocarbures d'appoint. Cet aspect d'amelioration du rendement global de l'opération de réchauffage apparait particulièrement dans le cas d'un chauffage mixte constitué par l'association d'un four à flamme et d'un four électrique par chauffage à induction des demi-produits On décrira maintenant en regard de la planche de dessin -sur laquelle la figure unique représente vue en coupe un four de réchauffage mixte- une opération de réchauffage des brames. En se reportant à la figure, on voit que le four est constitué de deux parties accolées I et Il. La première est dans le cas représenté un four de chauffage à flamme 1 comportant des parois 2 et 3 en matériaux réfractaires isolants dont l'une 2 constitue la vote du four. Cette paroi est équipée de cheminées pour l'évacuation des gaz de combustion.Une ouverture 5 disposée en tête du four permet l'introduction des brames dans le four sur un plancher de transfert 6. Des brûleurs latéraux 7 disposés latéralement de part et d'autre des brames permettent d'obtenir un chauffage uniforme. Le transfert des produits dans le four est assuré par des longerons longitudinaux (connus en eux-mêmes et non représentés) animés d'un mouvement rectangulaire. Pendant leur montée les longerons soulèvent les brames, les avancent pendant leur élongation puis les reposent au cours de leur descente. A la suite du four à flamme et en communication avec celui-ci est disposee une cellule également de forme allongée 8 comportant un ou plusieurs inducteurs 9 pour assurer le chauffage des brames. En bout de cette cellule est ménagée une porte d'evacuation 10 par laquelle les brames chaudes sont extraites en vue de leur traitement. On peut envisager de placer entre les parties I et II des moyens connus en eux-mêmes pour assurer leur isolement en dehors des périodes de transfert des brames. Les brames à rechauffer sont donc introduites par l'ouverture 5 dans le four à flamme 1 ou elles sont chauffées par les brûleurs alimentés en combustible produit de préférence par l'usine même. La quantité de chaleur fournie est de 180 thermies par tonne d'acier afin de porter les brames au voisinage du point de Curie du métal soit environ 7000C. Dans ce domaine de température le four à flamme travaille avec un excellent rendement thermique, il permet une tres bonne récupération de la chaleur sur les fumées et ne conduit pratiquement à aucune oxydation du métal. En outre la température de chauffage étant assez limitée le four peut être entièrement alimenté avec du gaz de cokerie ou de haui fourneau. Après avoir -été Portées à 7000C dans le four a flamme les brames sont transférées dans la cellule de chauffage à induction 8. Leur température est alors élevée de 700"C à 1200 - 12500C uniquement par chauffage électrique. Cette phase de chauffage nécessite environ 160 klih par tonne de métat. Lorsque la température souhaitée est atteinte les brames sont extraites pour être laminées par exemple. Le rendement thermique global de l'opération peut être chiffré à 63 % c'esti-dire nettement supérieur à celui du four à flamme seul. Bien que le rendement soit légèrement inferieur à celui du four à induction utilisé seul l'association des deux fours est globalement plus avantageuse car elle permet d'utiliser du gaz bon marche produit par l'usine. Par ailleurs le rendement du four à induction travaillant entre 7000C et 1250bu est meilleur que lorsque l'on part de produits froids. En effet, dans ce domaine de température c'est-à-dire au-dessus du point de Curie le rendement du chauffage par induction est tres supérieur à ce qu'il est lorsque la température de l'acier est inférieure à la température du point de Curie. Le chauffage dans ce four peut être rapide ce qui limite considérablement les risques d'oxydation et de décarburation. 10 est nme très possible sans complications technologiques conteuses d'effectuer le traitement sous atmosphère contrôlée, L'accroissement du rendement du chauffage par induction lorsque l'on travaille sur des produits chauds par rapport au rendement obtenu sur des produits froids s'explique de la façon suivante.On sait qu'un enroulement inducteur parcouru par un courant alternatif crée un champ magnétique variable et que si on place un conducteur dans ce champ il nait dans ce conducteur une force électromotrice induite en raison de la variation de flux magnétique et par consequent des courants induits qui provoquent un échauffement du conduc tueur par effet Joule. Les courants induits ne se repartissent pas uniformément dans le conducteur mais décroissent de façon exponentielle à partir de la péri phérie du conducteur. On appelle épaisseur de peau une grandeur E pour laquelle une densité de courant constante conduit aux mêmes effets du point de vue électrique que les courants i décroissance exponentielle dans toute la section du conducteur. On montre que : ou k est une constante liée à la résistivité du métal conducteur, u est la perméabilité magnétique du materiau et f la fréquence du courant inducteur. On remarque que plus f est élevé plus l'épaisseur de peau est faible, et plus p est faible plus l'épaisseur de peau est grande. Or la perméabilité magnétique est beaucoup plus grande que 1 pour les materiaux magnétiques tels que les aciers pour les températures inferieures au point de Curie, mais elle devient voisine de celle de l'air lorsque la temperature du riétal atteint le point de Curie (des rapports de 200 à 1 sont possibles). En conséquence l1épaisseur de peau devient beaucoup plus brande au Point de Curie et au-dessus. Pour une même énergie Joule le chauffage se répartit mieux dans la masse ce qui évite : d'une part une surchauffe du métal et d'autre part un mauvais chauffage du métal a coeur. On comprend donc tout l'interSt qu'il y a pratiquer le chauffage par induction sur un métal préalablement porte à une température au moins égale celle du point de Curie dudit métal. Il apparait donc nettement que la division du réchauffage en deux étapes réalisée au moyen de fours travaillant chacun dans le domaine de température où leur fonctionnement est le plus favorable permet d'atteindre un rendement global de l'opération de réchauffage des demi-produits le plus éleve possible. En effet le four à flamme peut être intégralement chauffé par des gaz de cokerie ou de haut fourneau et le four électrique travaille dans la zone de rendement maximal. De plus du point de vue métallurgique l'état du métal est plus favorable puisqu'il n'y a pratiquement plus d'oxydation superficielle, ni décarburation. En ce qui concerne les fours utilisés ils peuvent être de type classique avec brûleurs en ce qui concerne les fours à flamme et de structure analogues mais équipes de moyens de chauffage electrique connus en eux mêmes pour le four électrique. Leur conception générale peut être du type des fours poussants ou du type des fours à longerons mobiles. REVENDICATIONS 1 - Procédé de chauffage des produits sidérurgiques caractérisé en ce que dans un premier temps on chauffe lesdits produits dans un four à flat jusqu'à une température inférieure à la tenpérature de laminage que l'on transfère lesdits produits pour les chauffer dans un deuxième temps dans un four à chauffage électrique pour les chauffer jusqu'à la tenpérature choisie pour le laminage. 2 - Procedé selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans un premier temps on chauffe les semi-produits dans un four à flamme jusqu'à une tenpérature voisine de la température du point de Curie du métal que l'on transfere lesdits produits pour les chauffer dans un second four électrique à chauffage par induction pour élever leur temperature jusqu'à la température choisie pour le laminage. 3 - Four de chauffage de produits siderurgiques caractérisé en ce qu'il comprend une première partie constituée par un four a flamme et une seconde partie constituée par une cellule à chauffage électrique. 4 - Four selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend une première partie constituée par un four à flamme associé à plusieurs cellules à chauffage electrique. 5 - Four selon la revendication 3 caractérisé en ce que le four à flamme est un four à longerons mobiles. 6 - Four selon la revendication 3 caractérisé en ce que la cellule à chauffage électrique est un four à chauffage par induction.