Brevet FR2561365A1 — publié le 19850920

l 2561365 FOUR MOUFLE POUR TRAITEMENTS THERMIQUES EN CONTINU, PAR DEFILEMENT La présente invention concerne un four moufle pour traitements thermiques, en continu, par défilementde produits dont le cycle de fabrication com- porte un passage d'une durée déterminée à température élevée. C'est le cas de certains réfractaires, de produits carbonés, par exemple d'élec- trodes imprégnées, après une première cuisson, avec une substance carbo- née pyrolysable et cokéfiable, et aussi de métaux en vue de leur trans- formation, et d'alliages métalliques, par exemple en vue de l'homogénéi- sation et de la mise en solution solide des éléments d'alliage. Dans tout ce qui suit, nous désignerons par "traitement thermique" toute opération dans laquelle un des produits définis ci-dessus est porté à température élevée en vue de lui conférer des propriétés particulières. Ces traitements thermiques sont souvent effectués dans des fours statiques, soit à chauffage électrique, soit à chauffage par flamme. C'est le cas, par exemple, des fours de réchauffage de billettes métalliques (aciers ou alliages d'aluminium entre autres) à contact direct avec les gaz de com- bustion ou des fours à chambre pour la cuisson des électrodes de carbone, à des températures de l'ordre de 800 à 1200 C. Il s'agit là, d'opérations diszcntinues avec tous les inconvénients inhé- rents à ces procédés: difficulté de contrôler la température, ce qui conduit à des produits souvent hétérogènes, immobilisation prolongée des fours, due à la lenteur des opérations d'enfournement et de défournement, encombrement important des installations. En outre, dans certains cas, le contact direct des produits à traiter avec les gaz de combustion présente des inconvénients. La présente invention permet de surmonter ces inconvénients. Elle a pour objet un four moufle chauffé à la flamme pour le traitement thermique en continu, par défilement, à une température qui peut atteindre 1100 à i1500 C environ, de produits tels que réfractaires, métaux et alliages, produits carbonés, sans contact direct entre la flamme ou les gaz de combustion et le produit à traiter. Ce four se caractérise par une zone d'entrée munie d'un moyen de préchauf- fage par circulation,dans une double enveloppe disposée autour du moufle, de gaz de combustion recyclés, une zone de chauffage disposée à l'intérieur d'une enceinte calorifugée, munie d'au moins un moyen de mise en circula- tion des gaz de combustion autour de la zone de chauffe du moufle et une zone de sortie munie d'au moins un moyen de contrôle de la vitesse de refroidissement des produits. Dans le cas particulier du traitement thermique de produits réfractaires ou carbonés imprégnés d'une substance carbonée, telle que le brai, dont la pyrolyse donne des vapeurs combustibles, la zone de chauffe est divisée, au moyen d'une cloison supplémentaire en trois parties: - une zone d'exsudation et de sortie des matières volatiles de la substance carbonée d'imprégnation, dans laquelle le moufle comporte une ouverture débouchant sur un couloir délimité par la cloison et la paroi externe, et dont la sortie est située à proximité de la flamme 4 brûleur, - une zone de pyrolyse et de cokéfaction de la substance carbonée d'impré- gnation, - une zone de cuisson finale dans laquelle est atteinte la température maximale nécessitée par le traitement thermique, qui peut atteindre 1100 à 1150 C. Les figures 1 et 2 représentent deu: réalisations d'un four moufle selon 1'invention. La figure 1 représente un four destiné au traitement thermique de produits réfractaires ou métalliques. La figure 2 représente un four adapté à la cuisson de produits carbonés imprégnés de brai, comportant un dispositif de récupération des vapeurs de brai dont la combustion permet d'économiser jusqu'à 90 % du combustible fourni au brûleur. Le four comporte une zone d'entrée, constituée par un tunnel (1) muni d'un capot amovible (2) dans lequel le produit à traiter thermiquement (3) est introduit par des moyens de manutention habituels non représentés, par exemple, par une table à rouleaux. Le four proprement dit est constitué par une enceinte réfractaire isolante (4) sensiblement parallélépipédique qui forme la chambre de combustion (5). L'entrée du four comporte une section de préchauffage (6) constituée par une double enveloppe (7) dans laquelle circulent des gaz chauds récupérés dans la zone de combustion, et mis en circulation par le ventilateur de recyclage (8). Dans tout ce qui suit, nous désignerons par l'expression "gaz de combus- tion" aussi bien les gaz de combustion en provenance directe du brûleur, que les gaz mis en circulation dans les différents circuits du four, que ces gaz soient purs ou dilués par de l'air extérieur pour en abaisser la température. Le moufle proprement dit est un tube cylindrique (10) disposé horizonta- lement dans la partie supérieure du four. Il est en acier réfractaire, de préférence à haute teneur en nickel, de façon à supporter des tempéra- tures de service pouvant atteindre 1100 à 1150 C environ, sans que cette valeur constitue une limitation de l'invention. La section intérieure du four est légèrement supérieure (de 5 à 20 % par exemple) au diamètre extérieur maximal des produits à traiter ou, le cas kchéant, du conteneur rempli de produits à traiter. A l'intérieur du mou- fle (10), deux rails longitudinaux assurent le guidage des produits pen- dant le défilement, qui se fait de droite à gauche dans le cas représenté. Le défilement des produits à traiter est généralement assuré par poussage, le mouvement d'avance pouvant être continu ou pas à pas selon les exi- gences du traitement effectué. Le chauffage du four est assuré par un brûleur (11) à combustible gazeux, liquide ou solide pulvérisé, muni d'une arrivée d'air réglable avec un large excès éventuel, pour une raison qui sera précisée plus loin, et que l'on peut également alimenter en air préchauffé par un échangeur disposé dans le circuit des gaz de combustion ou de refroidissement de la zone de sortie. La mise en circulation des gaz de combustion est assurée par le ventila- teur (12) et la cloison (13). Les flèches indiquent, de façon approxima- tive, le trajet des gaz de combustion. La cloison (13) détermine, avec la paroi externe (14), un couloir (15) qui débouche sur le moufle, dans la zone de transition entre la zone de chauf- fe (16) et la zone de sortie. Les gaz de combustion circulent, autour du moufle, selon un trajet approximativement schématisé par les flèches, ce qui assure une homogénéité de température remarquable dans toute cette partie du moufle. Dans le circuit d'évacuation des fumées par la cheminée (17), on prévoit, selon les procédés habituels, un ou plusieurs dispositifs de recyclage des gaz de combustion, et d'introduction éventuelle d'air extérieur, grâce aux volets (18), (19), (20), en vue d'alimenter la double enveloppe (7) de la zone de préchauffe (6) en gaz chaud, et, le cas échéant, le br leur (11) en air préchauffé. La structure du circuit de recyclage est donnée à titre in- dicatif, et ne constitue pas une caractéristique limitative de l'invention. Le four, objet de l'invention, peut également s'adlpterau cas particulier o les produits à traiter thermiquement sont des produits réfractaires car- bonés imprégnés d'uns substance carbonée, telle que le brai, dont la pyro- lyse donne des vapeurs combustibles. On sait, en effet, que certains pro- duits destinés à opérer dans des conditions mécaniques sévères doivent su- bir une phase d'imprégnation par exemple avec du brai qui leur confère, après cuisson, une plus grande résistance mécanique, une meilleure étan- chéité, et, dans le cas des produits carbonés, une conductivité électrique plus forte. C'est le cas notamment des électrodes de carbone ou de graphite destinées à l'électrométallurgie: après une première cuisson, les produits sont refroidis, imprégnés de brai sous pression et à une température d'en- viron 200 C, puis soumis à une recuisson pour cokéfier le brai retenu lors de l'imprégnation. C'est également le cas de certaines briques de magnésie que l'on imprègne au brai puis que l'on soumet à une nouvelle cuisson. Dans ce cas, la zone de chauffe est divisée, au moyen d'une cloison sup- plémentaire (21) en trois parties: - une zone d'exsudation et de sortie des matières volatiles de la subs- tance carbonée d'imprégnation (du brai) dans laquelle le moufle comporte une ouverture (22) débouchant sur un couloir (23) délimité par la cloison (21) et la paroi externe (24) et dont la sortie est située à proximité de la flamme du brûleur (11), - une zone (25) de pyrolyse et de cokéfaction de la substance carbonée d'imprégnation - une zone de cuisson finale (26) dans laquelle est atteinte la tempéra- ture maximale nécessitée par le traitement thermique, qui peut atteindre 11000 à 1150 C. La possibilité de contrUler la température dans la zone de pyrolyse est une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention. On sait, en effet, que, pour obtenir le rendement maximal de cokéfaction du produit d'imprégnation, on doit déterminer avec précision la vitesse de montée en température du produit imprégné et la durée de maintien à une température prédétermainde, ce qui est aisément réalisable dans le four à moufle, objet de l'invention. Les matières volatiles qui se dégagent lors du début de pyrolyse de la subs- tance carbonée d'imprégnation ainsi que le brai qui exsude des électrodes, s 'échappent par l'ouverture (22) et le couloir (23) et atteignent la flam- me du brileur (11) o ils sont brûlés grâce à l'apport d'un excès d'air (préchauffé ou non, dans le brPleur. Comme on la verra dans l'exemple de mise ea oeuvre, on peut ainsi économiser jusqu'à 90 % du combustible four- ni au brûleur lorsque le four est en régime thermique. Le recyclage des gaz de combustion et la récupération des calories qu'ils contiennent sont assures selon le mame principe que sur la figure 1 mais dans une réalisa- tion légrement différente. La zone de préchauffage (7) est alimentée par les gaz de combustion, aventuellement dilués avec de l'air extérieur. La zone (25) de pyrolyse et de cokéfaction comporte une double enveloppe (27) dans laquelle circulent les gaz de combustion provenant de la zone de cuis- son finale, éventuellement dilués par de l'air extérieur et/ou des gaz de combustion provenant de la zone de préchauffage. L'évacuation des gaz de combustion s'effectue par la cheminée(28). Des volets tels que (29) permettent les réglages de débit nécessaires. La zone de sortie comporte des moyens de refroidissement contr8lé, soit ralenti soit accéléré, selon les exigences du produit traité et du cycle de traitement thermique mis en oeuvre. La partie du moufle (30) émergeant dans la zone de sortie peut être soit calorifugée, soit exposée à l'air libre sur tout ou partie de sa longueur, ou soumise à un refroidissement par ventilation forcée - et récupération éventuelle de l'air chaud pour alimenter le braleur - ou par aspersion ou pulvérisation d'un fluide tel que de l'eau. Au-delà, et jusqu'à la sortie du moufle, on peut prévoir différentes dis- positions de contrôle du refroidissement, telle qu'une double enveloppe (31) avec une circulation d'un fluide liquide ou gazeux, ou, au contraire, un calorifugeage statique, par exemple si l'on traite une billette de métal destinée à alimenter une presse à filer à chaud ou encore une combinaison d'un calorifugeage à la sortie de la zone chaude, suivi d'une zone de re- froidissement accéléré. La sortie peut également comporter, symétriquement avec l'entrée, un tunnel de sortie (32) avec un capot amovible (33) pour extraire le produit traité. Il est possible de créer, dans le moufle, une atmosphère contrôlée, par circulation d'un gaz inerte, tel qu'argon ou azote, en prévoyant, le cas échéant, des moyens d'étanchéité, même sommaires, à l'entrée et à la sortie. EXEMPLES DE MSE EN OECVRE DE L'INVENTION ExemDle 1: traitement thermique de billettes métalliques Dans un four conforme au dessLn de la figure 1, on a traité des billettes de 300 mm de diamètre, en alliage à base d'aluminium, du type 7075, ayant la composition suivante: zinc................. 5,6 % magnesium............ 2, 5 % cuivre............... 1,6 % chrome.............. 0,30 % aluminium..... ..... solde..DTD: Les billettes, brutes de coulée continue, ont été homogénéisées par chauf- fage à 435 C, puis, en sortie du four, dont la zone de sortie était calo- rifugée, directement introduites dans le conteneur d'une presse à filer; la température de la billette, dans le conteneur, était de 455 C. De la même façon, on a pu réchauffer, à 850 C, des billettes de cuivre, avec circulation d'azote, en vue d'alimenter un laminoir-perceur destiné à la production d'ébauches pour la fabrication, par laminage et étirage ultérieurs, de tubes de cuivre. ffExele: Cuisson d'électrodes de carbone imprégnées au brai On a construit un four, conforme au dessin de la figure 2, destiné à la recuisson d'électrodes, de barres à nipples et de tubes pour l'industrie chimique, imprégnés au brai, ayant toutes 300 mm de diamètre externe. Le moufle a un diamètre interne de 350 mm. La vitesse de défilement des pro- duits est réglable entre 0,2 et 2 mètres par heure. Elle est ajustée en fonction de la température des différentes zones de façon à obtenir une température à coeur du produit à traiter comprise entre: et 300 C à la sortie de la zone de préchauffage 350 et 450' C à la sortie de la zone de pyrolyse 800' et 950 C à la sortie de la zone de cuisson finale Lorsque le four est en régime, il fonctionne avec un apport de combustible extérieur correspo:ndant environ à 200 thermies (836 MJ) par tonn/e de pro- duit à cuire, alors que, dans les fours-statiques actuels, cette consomma- tion est de l'ordre de 1I00 thermies/tonne environ (7524 mJ), - qui ne d-scend pas à moins de 600 thermies/tonne dans le meilleur cas, pour d'au- tres types de fours statiques -, soit une économie de combustible proche de 90 %. En outre, la vitesse de montée en température, pour des électrodes de 300 mm de diamètre, peut atteindre 150' C par heure, alors qu'on ne dé- passe guère 12 à 15'/heure dans les fours statiques, et 40 à 50 C au plus dans des fours o les produits sont au contact direct de la flamme. Le moufle se prolonge à l'extérieur de l'enceinte (4) du four sur quelques mètres. Dans une première zone, le moufle se refroidit spontanément à l'air ambiant. Dans la deuxième zone, le moufle est refroidi par une circulation d'eau froide dans la double enveloppe (31). En sortie, les produits sont à une température inférieure à 400 C. Les produits obtenus dans ce procédé,après graphitation dans les condi- tions habituelles, ont des caractéristiques tout à fait comparables et me- me un peu supérieures à celles obtenues dans les fours à chambres classi- ques, du type "Riedhammer" par exemple, ainsi que le montrent les tableaux suivants: Cuisson statique J Selon Four à chambres l'invention Barres à nipples Densité apparente 1,79 1,78 Charge de rupture 7,25 MPa 8, 06 MPa Tubes pour l' industrie chimique 3 -1 3 -1 Perméabilité 602 cm.a 543 cm.5s Dilatation transversale, a 4,82.10 6 4,74. 1076 Flexion longitudinale 22,3 MPa 26,9 MPa En conclusion, l'invention s'applique au traitement de certains produits réfractaires, de réfractaires spéciaux tels que des briques ou pièces de forme en magnésie imprégnées au brai, des barres et billettes en métaux et alliages (à base d'aluminium, de cuivre, ou de fer pour ne citer que les plus courants), des produits carbonés crus, et de différents types de produits carbonés cylindriques, tels qu'électrodes, barres à nipples, pro- duits tubulaires pour l'industrie chimique et aussi à des produits de plus petites dimensions, tels que les charbons pour piles électriques, que l'on introduit à l'état cru, brut de filage, en paquets dans des conteneurs ou- verts en acier réfractaire, ce qui permet d'opérer dans le même moufle cy- lindrique; on peut aussi, à l'évidence, adapter la forme et les dimensions du moufle à celles des produits à traiter. L'invention peut également s'ap- pliquer à la cuisson d'émaux sur des métaux tels que l'acier ou les allia- ges d'aluminium, à l'abri des gaz de combustion, et, le cas échéant, sous atmosphère inerte ou contr8lée. De même, le four permet la cuisson de tout produit, carboné ou réfractaire, imprégné par une substance pyrolysable fournissant, comme les brais, des vapeurs combustibles: c'est le cas notamment des résines à base de po- lymères organiques tels que les phénol-formol et les polymétracrylates pour ne citer que les plus connus. Dans ces divers cas, il permet de régler très précisément la pyrolyse et la cokéfaction du produit d'imprégnation, d'obtenir des produits réfrac- taires parfaitement homogènes, et d'économiser jusqu'à 90 % de l'énergie qui serait nécessaire dans la plupart des fours statiques de mêmes per- formances. Pour le traitement thermique des billettes ou plaques métalliques, la zone de chauffage assure sur toute la longueur de chaque billette, une tempéra- ture de traitement constante et homogàne, qui permet d'effectuer dans des conditions idéales, des traitements d'homogénéisation ou de mise en solu- i5 tion solide ou de revenu ou de chauffage avant filage, ou forgeage, ou matriçage, ou même laminage, avec une précision de température de l'ordre du degré. En effet, bien que le four ait été décrit dans le cas particulier o le moufle est cylindrique, il est évident que sa section peut être carrée ou rectangulaire si l'on prévoit de traiter exclusiVement des profilés de section autre que circulaire. REVENDICATIONS 1 / Four moufle, pour traitements thermiques, en continu, par défilement, de produits dont le cycle de fabrication comporte un passage, d'une durée déterminée, à une température pouvant atteindre 1100 à 1150 C environ, chauffé par un brûleur à flamme sans contact direct entre les gaz de com- bustion et les produits à traiter, caractérisé en ce qu'il comporte: - une zone d'entrée munie d'un moyen de préchauffage par circulation, dans une double enveloppe (7) disposée autour du moufle (10), de gaz de com- bustion recyclée, - une zone de chauffage, disposée à l'intérieur d'une enceinte calorifugée (4), munie d'au moins un moyen (12) de mise en circulation des gaz de combustion, autour de la zone de chauffe du moufle, -une zone de sortie munie d'au moins un moyen de contr8le de la vitesse de refroidissement des produits traités. 2 / Four moufle, selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de dilution des gaz de combustion par de l'air extérieur. / Four moufle, selon revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mise en circulation des gaz de combustion est constitué par un venti- lateur (12) et une cloison de séparation (13) qui détermine, avec la paroi (14) du four, un couloir (15) qui débouche sur le moufle (10) dans La zone de transition entre la zone de chauffe et la zone de sortie. 4 / Four, selon revendication 1, caractérisé en ce que, pour le traitement thermique de produits réfractaires ou carbonés imprégnés d'une substance carbonée, telle que le brai, dont la pyrolyse donne des vapeurs combusti- bles, la zone de chauffe est divisée, au moyen d'une cloison supplémen- taire (21) en trois parties: -une zone d'exsudation et de sortie des matières volatiles et de la sub- stance carbonée d'imprégnation (du brai) dans laquelle le moufle comporte une ouverture (22) débouchant sur un couloir délimité par la cloison (21) et la paroi externe (24), et dont la sortie est située à proximité de la flamme du brûleur (11), - une zone (25) de pyrolyse et de cokeéaction de la substance carbonée d'imprégnation, - une zone (26) de cuisson finale dans laquelle est atteinte la tempé- rature maximale nécessitée par le traitement thermique, qui peut attein- dre 1100 à 1150 C. / Four, selon revendication 4, caractérisé en ce que la zone (25) de pyrolyse et de cokéfaction comporte une double enveloppe (27) dans laquelle circulent les gaz de combustion provenant de la zone de cuisson finale, éventuellement dilués par de l'air extérieur et/ou des gaz de combustion provenant de la zone de préchauffage. 6 / Four, selon revendications 1 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de préchauffage de l'air de combustion apporté au brGleur. 7 / Four, selon revendication 4, caractérisé en ce que le brûleur est muni d'un moyen d'alimentation d'airaiditionnel - pré^hauffé ou non - pour as- surer la combustion des vapeurs et de la substance carbonée d'imprégnation. 8 / Four, selon revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de con- trôle de la vitesse de refroidissement des produits est constitué par un calorifugeage disposé autour d'au moins une partie de la longueur de la 23 zone de sortie. 9 / Four, selon revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de contrS- le de la vitesse de refroidissement est une double enveloppe disposée autout d'au moins une partie de la longueur de la zone de sortie, et dans laquelle circule un fluide liquide, gazeux ou vaporisé. o10/ Four, selon revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de contrô- le de la vitesse de refroidissement est constitué par un dispositif d'as- persion ou de pulvérisation d'un fluide. / Four, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de poussage assurant l'avance des produits à traiter dans le moufle. 33 12 / Four, selon revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de poussage agissant de façon continue sur les produits à traiter 13 / Four, selon revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de poussage agissent pas à pas sur les produits à traiter. 14 / Four, selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les produits à traiter sont disposés dans des conteneurs ouverts.