Brevet FR2488277A1 — publié le 19820212

La présente invention a pour objet un four pour le chauffage de métal destiné à être installé en amont d'un laminoir à chaud, de manière à chauffer des profilés intermédiaires tels que plaques, billettes ou blooms à des températures de laminage adéquates. Dans les fours de chauffage de l'art antérieur, on brûle directement des carburants dans les fours au travers de brûleurs, de telle sorte que les profilés intermédiaires soient réchauffés à leurs températures de laminage adéquates essentielle- ment par de l'énergie fournie par rayonnement à partir des corps lumineux, des gaz et des parois du four. Dans un four de chauffage de ce type, le mélange des gaz de carburants et de l'air de combustion provenant des brûleurs est brûlé dans une enceinte de four. Pour cette raison, dans un four de chauffage construit récemment de très grandes dimensions (par exemple 10 à 15 mètres de large pour 30 à 50 mètres de long), il devient extrêmement difficile d'atteindre une distribution uniforme de température dans le four, en particulier pour les rai- sons suivantes: 1. Dans le cas d'un four à chauffage latéral dans le- quel des brûleurs traversent les parois latérales du four, la tem- pérature de distribution de la flamme doit être uniforme, par exem- ple sur une distance de six mètres à partir de chaque paroi du four pour un four de douze mètres de large. Dans les fours de chauffage de l'art antérieur du type à chauffage direct, les brûleurs laté- raux sont courts en longueur et sont ouver.ts au niveau des parois latérales. En conséquence, même si le mélange de combustion est injecté de manière à sortir des brûleurs sous- de hautes énergies ou pressions, les flammes peuvent au mieux se propager sur une longueur allant de trois à quatres mètres. Ainsi les températures de la partie centrale du four sont nettement plus basses que celles au voisinage des parois latérales et la différence de température atteint en conséquence 1000C, voire plus. 2. Les carburants et l'air de combustion délivrés par les brûleurs à chauffage direct sont mélangés, allumés et brûlés dans le volume libre du four, ce qui fait que les conditions de mélangeage varient sur une large échelle, en fonction de la capa- cité de combustion désirée ou des exigences.-En conséquence, il existe une très grande différence de température entre les flammes elles-mêmes. l 3. De plus, plus la capacité de combustion est faible, plus la longueur de la flamme se raccourcit et plus l'énergie avec laquelle le mélange de carburant et d'air est-éjecté au travers des buses des brûleurs devient faible. En conséquence, les flammes sont courbées et vacillantes; en fait les flammes sont perturbées par les arrivées et les forces de 'flottement des gaz dans le four, ce qui entraine que le front des flammes ne peut atteindre la par- tie centrale du four. Il en découle une grande différence de tem- pérature dans le four. 4. Dans- un four de chauffage nouvellement construit, avec des dimensions encore augmentées, on a dû incorporer une poutre de déplacement ou un poussoir. Dans ce cas on doit installer dans la partie inférieure du four une pluralité de structures re- froidies par de l'eau, de manière à supporter les profilés inter- médiaires en cours de chauffage et également les poutres de dépla- cement. En conséquence le positionnement des brûleurs est limité structurellement. En outre les flammes fluctuent *et leur longueur varie de telle sorte que la différence de température dans le four est encore augmentée. 5. On a également imaginé et montré en démonstration un système dit à brûleur axial dans lequel les brûleurs à chauffage direct sont disposés longitudinalement ou axialement par rapport au four, de manière à résoudre les problèmes décrits ci-dessus. Dans ce cas, cependant, pour éviter une interférence avec les structures de support refroidies par eau disposées dans la partie inférieure du four, les brûleurs ne peuvent pas être disposés de manière à atteindre des conditions ou un environnement optimum pour le chauffage de profilés intermédiaires. En outre, le nombre de brû- leurs est limité ce qui implique de devoir augmenter la capacité de chaque brûleur. En conséquence il s'ensuit des variations de tem- pérature en largeur dans le four de chauffage et ce de manière plus particulièrement prononcée entre les zones o les brûleurs sont disposés et les zones o il n'en existe pas. Une telle différence de température ne peut être négligée, surtout dans le cas d'un four de chauffage qui est prévu pour le chauffage d'un profilé intermé- diaire à une température relativement basse, pour des laminages à relativement basse température. 6. Lorsque l'on- utilise -le système à brûleur axial et si la consommation de carburant est réduite par -rapport à la plei- ne capacité, les flammes sont raccourcies sel'on la direction lon- gitudinale ou axiale du four, comme dans *le cas d'un four à chauf- fage latéral. En conséquence de ceci, il s'ensuit une grande dif- férence de températures; autrement dit on ne peut obtenir une distribution uniforme de la température. 7. Dans le cas du système à brûleur axial, on doit prévoir dans les parois du four des réservations et des saillies pour y déposer les brûleurs. Cependant une telle configuration in- terfère inévitablement avec le système de poutres de déplacement dis-posé en partie basse du four. En conséquence la conception gé- nérale et la construction du four de chauffage deviennent extrême- ment complexes. De plus, ceci limite la disponibilité d'espace pour d'autres dispositifs ou équipements à proximité de la base du four. Enfin la maintenance et les facteurs de sécurité sont gra- vement affectés. 8. Les phénomènes décrits ci-dessus sont encore plus prononcés dans un four de chauffage pour le chauffage de profilés intermédiaires à des températures de travail relativement basses comprises entre 900 à 1050'C, par rapport aux fours de chauffage de l'art antérieur utilisés pour des températures relativement hautes comprises entre 1200 et 1300'C, ce qui tend à créer souvent des points chauds localisés ou des concentrations de chaleur lo- calisées. Cette tendance peut être facilement vérifiée à partir du fait que, comme montré par la formule ci-après, le transfert de chaleur par rayonnement est proportionnel à la différence entre la puissance quatrième de la température absolue de la surface de la source de chaleur et la puissance quatrième de la température ab- solue de la surface du profilé intermédiaire. On a en effet Q = K.F (Tr)4 - (Ts) 4] Y 100 100 dans laquelle Q est le taux de transfert de chaleur en K cal/m2.h K.F est une constante Tr est la température absolue de la surface de la source de chaleur, Ts est la température absolue de la surface du pro- filé intermédiaire. Au vu de ce qui précède, l'objet principal de la présente invention est de pallier ces inconvénients et tous les autres problèmes ren- contrés dans les fours de chauffage de métal de l'art antérieur, à savoir essentiellement obtenir des distributions uniformes de température dans le four et économiser de l'énergie, de manière à réduire les coûts de fabrication et améliorer la qualité des barres d'acier. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu avec un four pour le chauffage de métal, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une pluralité de tubes rayonnants ayant une longueur fixée et dont les extrémités intérieures sont ouvertes, lesdits tubes s' étendant de l'extérieur du four vers l'intérieur de celui-ci, dans le sens de la largeur: et horizontalement, et d'autre part des moyens de combustion disposés à l'extérieur du four et communiquant respectivement avec chacun des tubes rayon- nants de manière à forcer le mélange de combustion à s'ecouler et à brûler au travers desdits tubes rayonnants et à délivrer les produits de combustion dans le four au travers des extrémités in- térieures ouvertes desdits tubes rayonnants. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la des- cription ci-après de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'inven- tion, en référence aux dessins annexes dans-lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, avec la paroi supérieure partiellement non représentée; - la figure 2 est une vue latérale du dispositif de la figure 1. - la figure 3 est une section selon III-III de la figure 2. - la figure 4 est une vue, à plus grande échelle, d'un tube rayonnant utilisé pour la présente invention. - la figure 5 illustre un exemple de distribution de température sur la longueur du tube rayonnant - la figure 6 est une section d'un autre tube ra- yonnant pouvant être utilisé pour la présente invention. Les figures 1 à 4 illustrent un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Dans un four de chauffage (1) d'une largeurs de par exemple 12 mètres, une pluralité de brûleurs latéraux (2) s'éten- dent dans le sens de la large-ur: à partir de chacune des parois du four et sont espacés l'un de l'autre d'une distance adéquate'dans le sens longitudinal du four (1). Chaque tube rayonnant (3) qui est relié à chacun des brûleurs latéraux (2) a une longueur telle que sa pointe ou extrémité intérieure (4) atteigne la ligne mé- diane longitudinale du four (1). Les tubes rayonnants (3) qui s'é- tendent en largeur de l'une des parois du four sont décalés par rapport à ceux s'étendant de l'autre paroi du four de manière à éviter toute inferférence entre eux, comme représenté à la figure 1. Les tubes rayonnants (3) sont supportés par des élé- ments supports (5). Le carburant et l'air de combustion sortant des brûleurs latéraux (2) sont mélangés et brûlés dans les tubes ra- yonnants (3) et les produits de la combustion sont délivrés dans le four au travers des pointes (4) au niveau de la zone longitudi- nale centrale ce celui-ci. On a référencé (6) les poutres de dé- placement, (7) des profilés intermédiaires en cours de chauffage et (8) des brûleurs supérieurs. En fonctionnement, les profilés intermédiaires (7) sont disposés sur les poutres de déplacement (6) qui sont entrai- nées par un dispositif d'entrainement non représenté disposé sur la base du four (1) de manière telle que les profilés intermédiai- res (7)soient déplacés au travers du four (1) dans la direction in- diquée par la flèche "a" à la figure 2. Les surfaces supérieures des profilés intermédiaires (7) sont chauffées uniformément par les brûleurs supérieurs (8), tandis que les surfaces inférieures le sont par les brûleurs latéraux (2). Comme on peut mieux le voir à la fi- gure 4, le tube rayonnant (3) est disposé en largeur de manière tel- le que son extrémité ouverte intérieure (4) puisse être disposée dans la zone centrale longitudinale du four. Le carburant et l'air de combustion provenant du brûleur latéral (2) sont mélanges et brûlés dans le tube rayonnant (3) et les produits de combustion sont délivrés sur toute la largeur au travers de l'extrémité inté- rieure (4) vers la partie centrale du four. Comme la combustion a lieu à l'intérieur du tube rayonnant (3), la propagation de la flamme n'est pas perturbée par les turbulences des gaz dans le four, ce qui fait que indépendamment de la consommation de carburant, une distribution relativement satisfaisante de la température peut être obtenue sur toute la longueur du tube rayonnant (3). Selon la présente invention, l'opération de chauffa- ge peut être interrompue de manière à chauffer les profilés inter- médiaires (7) aussi bien à 1250'C qu'à des températures de 900 et 10000C. La figure 5 représente les distributions de tempé- rature obtenues avec des tubes rayonnants (3) de 300 mm de diamètre extérieur et de 6 -mètres de long disposés avec une hauteur d'en- viron 1,5 mètre. La ligne continue A montre la distribution de tem- pérature pour une consommation de carburant de 100%, et la ligne pointillée B pour une consommation de carburant de 30%. Ces répar- titions de température sont très satisfaisantes. Dans le cas des fours de chauffage de l'art antérieur, la différence de tempéra- ture est supérieure à 1000C, mais avec le dispositif selon l'in- vention, la différence de température dans le four reste inférieu- re à 50C, et la différence de température dans le profilé inter- médiaire (7) peut être ramenée à moins -de 300C.. Les tubes rayonnants (3) peuvent être fixds et supportés par les éléments supports (5) de manière à ce qu'aucune force extérieure ne soit exercée sur eux. Ainsi, lors de la con- ception et de la fabrication des tubes rayonnants (3), il suffit simplement de prendre en considération leur résistance à chauffer. De manière à pouvoir continuer à utiliser les tubes rayonnants (3) même s'ils sont fêlés ou même s'ils sont courbés, il est préféra- ble qu'ils soient réalisés en un acier résistant à la chaleur ou en céramique. On a représenté à la figure 6 un autre mode de mise en oeuvre de l'invention; Dans ce cas, le tube rayonnant (3) com- porte une première section (3a) avec une extrémité en forme d'em- bout ou effilée et une seconde section (3b) de diamètre constant sur toute sa longueur. Lesdites première et seconde sections (3a) et (3b) du tube rayonnant sont reliées entre elles de manière à définir entre elles au niveau de leur jonction une ouverture (9) annulaire d'aspiration de gaz. Ainsi les gaz, à savoir des pro- duits de combustion, peuvent être recirculés au travers de la se- conde section (3b) du tube rayonnant, ce qui permet d'améliorer encore la distribution de température sur la longueur du tube rayonnant (3), comme indiqué par la ligne en traits mixtes (C) à la figure 5. On a utilisé la combinaison des brûleurs supérieurs (8) et latéraux (2), mais on comprendra qu'il est également possi- ble d'utiliser une combinaison de brûleurs axiaux pour chauffer les surfaces supérieures des profilés intermédiaires et de brû- leurs axiaux à tubes rayonnants pour chauffer les surfaces infé- rieures des profilés. En outre, on peut utiliser toute autre com- binaison adéquate des brûleurs. On a décrit les extrémités inté- rieures ouvertes (4) des tubes rayonnants comme étant disposées dans la zone centrale longitudinale du four, mais on comprendra qu'elles peuvent être disposées à tout autre endroit adéquat. En résumé, la présente invention permet de résoudre effectivement le problème des points chauds localisés ou de con- centrations de chaleur qui sont inhérents aux fours de chauffage de métal de l'art antérieur. En outre et de manière à permettre une utilisation du four avec un meilleur degré d'efficacité, on dispose sur la largeur dans la zone basse du four une pluralité de tubes rayonnants avec des extrémités intérieures ouvertes, de manière que la combustion intervienne dans une zone relativement plus étendue (limitée) et les produits de combustion sont délivrés dans le four par les extrémités intérieures ouvertes des tubes rayonnants. La mise en oeuvre de l'invention permet en outre d'obtenir lesavantages et effets suivants: 1. Comme la combustion a lieu à l'intérieur des tubes rayonnants, l'énergie est rayonnée à partir de surfaces rayonnan- tes solides, ce qui permet d'obtenir un rayonnement stable et qui diminue donc la différence de température. 2. Comme la combustion a lieu dans les tubes rayonnants, les flammes ne sont pas perturbées par les turbulences des gaz dans le four et elles peuvent être propagées à n'importe quel endroit o on le désire, de manière à, indépendamment de-la consommation de carburant, atteindre et maintenir une distribution de tempé- rature relativement uniforme. 3. En raison du point 2 ci-dessus, on peut disposer un grand nombre de brûleursde petite capacité sans entrainer des inter- férences parasites, ce qui permet même d'augmenter la surface ef- fective de rayonnement pour la quantité de transfert de chaleur. En conséquence, le taux de transfert de chaleur peut être augmenté et les profilés intermédiaires peuvent être chauffés de manière satisfaisante à des températures relativement basses. De plus, en raison de l'augmentation d'efficacité thermique, on peut éviter un usage excessif de carburant, ce qui réalise une économie d'éner- gie. 4. Indépendamment de la consommation de carburant, les flammes et les produits de combustion sont amenés à circuler au travers des tubes rayonnants de manière à diminuer la différence de température sur toute la longueur du tube reyonnant. On peut donc maintenir une distribution de température uniforme. En particulier lorsque la consommation de carburant est ramenée à moins de un tiers, on peut améliorer le maintien d'une 'distribution uniforme de température par rapport aux fours de chauffage de l'art anté- rieur. 5. Les extrémités intérieures des tubes rayonnants sont ouvertes de telle manière que les produits de combustion peu- ventêtre délivrgsà tout endroit voulu du four pour obtenir égale- ment ainsi un transfert de chaleur par convection et donc amélio- rer encore en conséquence l'efficacité thermique. 6. Les tubes rayonnants sont conducteurs de la chaleur, ne sont pas soumis à des contraintes extérieures et n'ont pas be- soin d'être complètement étanches aux gaz, ce qui fait que même s'ils sont fendus ou tordus on peut continuer à les utiliser pen- dant encore longtemps, ce qui augmente bien sûr leur durée de vie. 7. Une distribution de température suffisamment uni- forme peut être obtenue et maintenue avec les brûleurs latéraux. En conséquence la construction du four de chauffage et en particu- lier la partie basse de celui-ci peut être simplifiée ce qui amé- liore la maintenance et assure une grande sécurité. En outre ceci permet une économie sur le coût initial de l'installation. 8. En raison des effets et des caractéristiques décrits ci-dessus, même si le four de chauffage est adapté pour moduler ses opérations de chauffage pour le chauffage de profilés intermé- diaires à des températures comprises entre '1200 et 1300 C et à des températures comprises entre 900 et 1000 C, c'est-à-dire pour un four de chauffage dont la temp6rature de chauffage varie sur une grande échelle, on peut assurer une distribution uniforme de température dans l'ensemble du four. En conséquence, on peut aug- menter la qualité dés profiles intermédiaires chauffés REVENDICATIONS 1. Four pour le chauffage demétal, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une pluralité de tubes rayonnants (3) ayant une longueur fixée et dont les extrémités intérieures (4) sont ouvertes, lesdits tubes s'étendant de l'extérieur du four (1) vers l'intérieur de celui-ci, dans le sens de la largeur et hori- zontalement, et d'autre part des moyens de combustion (2) disposés à l'extérieur du four et communiquant respectivement avec chacun des tubes rayonnants de manière à forcer le mélange de combustion à s'écouler et à brûler au travers desdits tubes rayonnants (3) et à délivrer les.produits de combustion dans le four (1) au tra- vers des extrémités intérieures ouvertes desdits tubes rayonnants. 2. Four pour le chauffage de métal selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que lesdits tubes rayonnants (3) sont disposés dans la partie inférieure du four. 3. Four pour le chauffage de métal selon l'une quel- conque des revendications -1 et 2, caractérisé en ce que chaque tube rayonnant (3) est divisé en deux sections axiales (3a) et (3b), lesdites sections étant reliées entre elles de manière à définir au niveau de leur jonction une ouverture annulaire (9) d'aspiration de gaz du four,