Brevet FR2581159A1 — publié le 19861031

La présente invention concerne les boucliers thermiques et en particulier, mais non exclusivement, les boucliers thermiques destinés à être utilisés dans le trai- tement des métaux. Par exemple, lors du traitement d'un feuillard d'acier chaud dans un laminoir, on fait passer le produit chaud par plusieurs étapes de traitement de manière à obtenir un feuillard fini. Les qualités métallurgiques et le calibre du feuillard fini sont étroitement associés à la commande précise de la température du matériau pendant le processus de laminage à chaud. Cependant, en raison des pertes thermi- ques apparaissant par rayonnement et convection, il est ex- trêmement difficile de régler la température au cours des différentes phases de traitement, ce qui peut susciter un certain retard entre les phases de traitement avec pour ré- sultat que le produit ne se trouve pas à ses températures requises de laminage et de finition. On a utilisé différents types de dispositifs, comme par exemple des réflecteurs en aluminium ou des pan- neaux calorifuges disposés le long de la table de ralentis- sement d'un laminoir de finition pour réduire les pertes thermiques se produisant à partir des surfaces d'un produit chaud. Ces dispositifs présentent de graves limitations qui sont décrites, en ce qui concerne les réflecteurs, dans la partie formant arrière-plan technologique décrite dans le brevet US N 4 463 585 (inventeur Laws),et qui est cité ici comme fournissant une information de.base supplémentaire pour une meilleure compréhension de la présente invention. Comme cela est mentionné dans ce brevet US N 4 463 585, dans ur. type de panneau -calorifuse ilexistefune âme calorifuge et une plaque de revêtement plane constituant une surface principale du panneau, et'comme cela est décrit dans ce même brevet, un autre type de panneau isolant permet une dilatation thermique relative d'une plaque plane mince par rapport à l'âme. Dans ces deux types de panneaux, l'en- semble de la surface extérieure de la plaque est directement exposé à l'objet chaud et la plaque est doublée par un iso- lant. De même ces deux types de panneaux sont adaptés de ma- nière que les plaques planes minces soient constituées en un matériau résistant à la température et qui absorbe la cha- leur, puis la renvoie par rayonnement en direction de l'objet ou du produit chaud. Il est impératif que les dimensions de la plaque soient telles que sa surface fournisse une émis- sivité de chaleur efficace suffisante sans fondre et que la température de la plaque soit apte à augmenter rapidement de manière à se rapprocher étroitement de la température du produit de manière à réémettre la chaleur par rayonnement et à atteindre un équilibre thermique avec le produit. C'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un bouclier thermique apte à réémettre la chaleur par rayonnement et qui comporte une surface possé- dant une émissivité de chaleur assez élevée et une capaci- té thermique essentiellement équivalente aux panneaux de - conception actuelle, mais commençant à réémettre la chaleur par rayonnement et à se rapprocher de l'équilibre thermique avec le produit chaud, en un laps de temps beaucoup plus court et avec une chute de température dans le produit chaud, plus faible que dans le cas des panneaux de conception actuel- le. Un autre objet de l'invention est de fournir un bouclier thermique servant à réémettre la chaleur par rayon- nement, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau calori- fuge comportant un certain nombre de sections adjacentes ac- colées ménageant une ou plusieurs surfaces de maintien for- mées par lesdites sections adjacentes, et un matériau absor- bant la chaleur ayant une caractéristique de montée rapide en température et dont une partie peut être directement ex- posée à une source de chaleur et comporte une série de sur- face relativement petites, placées côte-à-côte, que chaque petite surface dudit matériau absorbant la chaleur est en outre sensiblement prolongée par une surface plus longue disposée de manière à ne pas être exposée directement à la- dite source de chaleur, que lesdites surfaces plus longues dudit matériau absorbant la chaleur sont disposées de façon à entourer au moins une partie d'une autre desdites sec- tions accolées dudit matériau calorifuge et sont enserrées par lesdites surfaces de maintien de deux sections adjacen- tes dudit matériau calorifuge, la nature et la masse ther- mique dudit matériau absorbant la chaleur et la nature dudit matériau calorifuge ainsi que sa disposition par rap- port au matériau précédent augmentant fortement les carac- téristiques de réémission de chaleur par rayonnement dudit matériau absorbant la chaleur. Plus particulièrement,le bouclier thermique est tel que ledit matériau absorbant la chaleur définit une série de logements adjacents placés côte à côte dans lesquels sont logés respectivement les différentes sections accolées dudit matériau calorifuge. Avantageusement,le matériau isolant utilisé comme matériau calorifuge et son agencement sous la forme de sections sont déterminés de façon à former un ensemble à haut pouvoir calorifuge. De préférence, le matériau absorbant la chaleur possède une capacité calorifique relativement basse et lesdites surfaces exposées dudit matériau absorbant la chaleur sont d'une longueur qui est au moins inférieure à la moitié de la longueur correspondante desdites surfaces plus longues de ce matériau. Dans un mode préféré de réalisation, le bouclier thermique est tel que la source de chaleur est une pièce à traiter préchauffée apte à chauffer ledit bouclier thermique et dont la chaleur est ensuite renvoyée par réé- mission de chaleur par rayonnement en direction de la pièce à traiter ou d'une autre pièce à traiter, et que ledit ma- tériau absorbant la chaleur possède une épaisseur re- lativement mince par rapport à l'épaisseur de ladite pièce à traiter et est constitéu en un matériau qui constitue un puits de chaleur temporaire apte à atteindre rapide- ment l'équilibre thermique avec ladite pièce à traiter. Dans ce cas, il est avantageux que le rapport de l'épaisseur de-la pièce à traiter audit matériau absorbant la chaleur est supérieur à i00/,! En outre, le bouclier thermique selon l'invention peut comporter des moyens de chauffage disposés entre lesdites sections dudit matériau calorifuge et portés par au moins certaines de ces sections,de manière à appor- ter de la chaleur audit matériau absorbant la chaleur. De plus, les surfaces exposées du matériau absorbant la chaleur possèdent de préférence des propriétés relative- ment réduites de réflexion de la chaleur. En outre, les surfaces de maintien du matériau calo- rifuge s'étendent avantageusement dans une direction s'écartant de la source de chaleur. Dans une forme simple de réalisation,le matériau ab- sorbant la chaleur est constitué par une mince tôle de ma- tériau-ferreux possédant une capacité calorifique élevée. Selon un- autre mode avantageux de réalisation,le bouclier thermique selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte une nappe de matériau fibreux calorifuge, repliée selon une forme sinueuse de manière à ce que les couches adjacentes de matériau fibreux calorifuge,forment une pluralité de replis, lesdites couches adjacentes dudit matériau calorifuge étant constituées et agencées de telle sorte que leurs replis soient étroitement appliqués les uns contre les autres à l'intérieur d'un panneau, et une - feuille continue de matériau ferreux possédant des caracté- ristiques d'absorption de la chaleur, qui est disposée au moins le long de la surface extérieure de ladite nappe de matériau calorifuge fibreux et contre cette surface selon une disposition sinueuse correspondante de telle sorte que des parties dudit matériau ferreux enveloppent les surfaces exposées desdits replis dudit matériau calorifuge et que des parties dudit matériau ferreux sont insérées étroite- ment à l'intérieur desdits replis adjacents dudit matériau calorifuge de manière à être supportées par ces derniers, lesdites surfaces exposées étant exposées à une source de chaleur de telle sorte que la chaleur fournie par ladite source est absorbée dans les surfaces exposées et conduite et stockée dans lesdites parties desdits replis de la cou- 1O che voisine de manière à obtenir rapidement l'équilibre thermique entre iedit matériau ferreux et ladite source de chaleur de manière à réémettre la chaleur par rayonnement en direction de ladite source de chaleur afin de maintenir cette dernière à une température prédéterminée. Plus particulièrement la présente invention four- nit un type de panneau réémettant la chaleur par rayonne- ment qui comporte une feuille de matériau fibreux réfrac- taire disposée selon une forme sinueuse de manière à for- mer un bloc, et une feuille relativement mince d'un maté- riau accumulant la chaleur, comme par exemple de l'acier inoxydable, disposée contre les faces de-la feuille for- mée de fibres de telle sorte qu'il est adapté à la confi- guration sinueuse de cette feuille formée de fibres, cer- taines parties de la tôle d'acier inoxydable étant doublées - sous la forme de replis qui s'adaptent étroitement dans les replis du bloc de fibres servant à soutenir lesdits replis et au niveau desquels la chaleur est accumulée, d'autres parties, possédant des dimensions comparativement réduites, de la tôle d'acier inoxydable étant exposées à l'atmosphè- re. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée - ci-après prises en référence aux dessins annexés, sur- lesquels: la figure 1 est un schéma d'une première forme de réalisation de la présente invention, disposée au-dessus d'un produit; et la figure 2 est un schéma partield'une seconde forme de réalisation de la présente invention. En se référant tout d'abord à la figure 1, on y voit représenté un panneau 10 conforme à la présente in- vention, réalisant une réémission de chaleur par rayonne- ment. Ce panneau 10 peut remplacer, moyennant de légères modifications, les panneaux décrits dans le brevet US N 4 443 168 et dans le brevet US N 4 463 185, qui a déjà été mentionné précédemment, ou bien peut être utilisé pour réaliser le garnissage ou le doublage d'une paroi latéra- le ou du toit d'un four ou d'un autre appareillage fonc- tionnant à température élevée, comme par exemple des dis- positifs d'enroulement de feuillards chauds qui sont ac- tuellement utilisés en avant du poste de finition d'un la- minoir chaud à feuillards. Afin d'expliquer l'invention, on va décrire ici un panneau 10 en référence à une table de retardement disposée entre un train dégrossisseur et un train de finition dans un laminoir chaud à feuillards. Au-dessous du panneau 10 réémettant la chaleur par rayonnement se trouve disposée une barre de transfert chau- de 12 pouvant être portée par la table de retardement et possédant une température d'environ 1100 C, qui peut être constituée soit par de l'acier, soit par de l'aluminium et dont l'épaisseur est désignée par T. Le panneau ou le bloc 10 comporte une enveloppe isolante 14 constituée par un matériau fibreux réfractaire, comme par exemple des compositions de chrome-alumine-silice, des compositions d'alumine-silice et des compositions de zircone, ces matériauxétant aptes à résister à des tempéra- tures élevées. Le bloc 10 est préformé par repliage de l'en- veloppe isolante 14 selon une forme sinueuse de manière à former des sections adjacentes 16 de même longueur. Des dé- tails de construction et de fonctionnement d'une telle en- veloppe isolante en céramique 14 et ses caractéristiques particulières de montage, qui peuvent être utilisées dans le cadre de la présente invention, sont décrites de façon plus détaillée dans les brevets US N 4 001 996 et 4 123 886 qui sont indiqués à titre de référence. Une tôle mince 18 constituée en un matériau ferreux ayant pour caractéristiques à la fois de résister a des tem- peratures élevées et à retenir la chaleur, par exemple de l'acier inoxydable, entoure les coudes des couches adjacen- tes 16 sur le côté du bloc 10 qui est tourné vers la barre de transfert 12. Naturellement la capacité thermique dé la tôle d'acier inoxydable est proportionnelle à son épaisseur t repérée sur le côté gauche de la figure. L'épaisseur t de la tôle 18 devrait être nettement inférieure à l'épaissseur T de la barre transportée 12. De façon idéale ce rapport est compris entre 1 sur500 ou plus, c'est-à-dire que l'épaisseur de la tôle 18 serait égale à environ l/500-ème au moins de l'épaisseur de la barre transportée 12. Ce rapport permet un transfert rapide de chaleur par rayonnement et convec- tion de la barre 12 à la tôle 18, caractéristique sur laquel- le on reviendra brièvement. La tôle 18 est prolongée autour des bords extérieurs du bloc et entoure les couches 16 en y adhérant de façon à former une surface longue 22 pénétrant sur une distance D à l'intérieur de replis 20 de chaque couche adjacente 16 et une surface courte 19 créant une surface efficace de réémis- sion de la chaleur par rayonnement autour des parties incur- vées entre deux sections adjacentes Ll, L2 de l'enveloppe 14, ladite zone 19 réémettant la chaleur étant exposée à l'atmosphè- re et située directement au-dessus de la barre 12, comme cela est indiqué sur la figure 1. L'adhérence de la tôle aux surfa- ces de l'enveloppe 14 est obtenue par tout moyen approprié, de préférence moyen d'une substance adhésive. Les replis ou couches doubles 22 de la tôle d'acier inoxydable 18 agissent à la manière d'accumulateurs de chaleur, sujet sur lequel on reviendra brièvement par la suite. Lors de l'emballage et de l'installation, le bloc est normalement maintenu à l'état assemblé au moyen de bandes (non représentées), qui s'enroulent autour du bloc 10 et de la tôle 18. On enlève ensuite ces bandes, de telle sor- te que, par le transfert de chaleur à partir de la barre de transfert 12, chaque couche 16 s'expanse en direction de la couche 16 adjacente, de manière à retenir fermement et de façon intime les parties longues en forme de replis 22 de la tôle d'acier inoxydable 18 dans les replis 20. Le bloc 10 est fixé en position par son organe de montage 21 à l'aide de moyens appropriés, C un organe en surplomb (non représen- té). Plus le rapport de l'épaisseur T de la barre à l'épais- seur t de la tôle est élevée, moins il faut de chaleur pour chauffer la tôle 18, et par conséquent, étant donné que le chauffage est fonction du temps, plus rapidement la tôle en acier inoxydable peut renvoyer de la chaleur à la barre 12. La chaleur délivrée par la barre 12 est transmise à la tôle 18 par rayonnement et par convection et cette chaleur est véhiculée à son'tour par conduction dans les replis 22 de la tôle en acier inoxydable 18. La quantité de chaleur accu- mulée dans les replis 22 de la tôle 18 dépend non seulement de l'épaisseur de la tôle, mais également de la longueur to- tale d'enroulement sinueux autour du bloc 10 et naturellement du rendement thermique de l'enveloppe isolante 14. De même il est important de noter l'accroissement - substantiel de la longueur D des surfaces des replis 22 pou- vant emmagasiner de la chaleur,.comparée à la longueur, beaucoup plus petites, des surfaces exposées - de la tôle 18, le rapport dans le cas représenté, étant légèrement supérieur à 2/1 et pouvant aller jusqu'à /1 et dépasser 5/1 dans certaines applications. Dans un cas d'utilisation, une barre 12 possédant une température d'environ 1040 C circule au voisinage de la face extérieure du bloc 10 rééméttant la chaleur par rayonne- ment. Son extrémité avant se refroidit tout d'abord presque au même taux que si elle était exposée à l'atmosphère. Etant donné que la tôle 18 est extrêmement mince, sa température augmente rapidement jusqu'à un niveau très proche de la tem- pérature de la barre, par exemple 980 C avec une réduction d'environ 11 C, de la température de la barre pendant tout le temps o la chaleur est transmise par conduction dans es replis 22 de la tôle 18. La relation entre la quantité-de chaleur utilisée pour la réémission de chaleur et la quantité de chaleur ac- cumulée dans les replis est déterminée en fonction de la tem- pérature et de la géométrie de la barre et du délai entre les barres qui se suivent. Cette relation peut être estimée en prévoyant une profondeur prédéterminée D pour les replis 22 de la tôle en acier inoxydable 18. Les replis 20 peuvent retenir une quantité encore supérieure de chaleur dans le cas o l'on prévoit des orga- nes de chauffage électrique 24 en forme de tige insérés dans les replis 22 de la tôle, comme représnté sur la figure 2. Ces organes 24 peuvent être d'un type bien connu et peuvent être utilisés lorsque le délai entre les barres est excessif ou bien lorsque le rapport de l'épaisseur de la barre 12-à l'épaisseur de la tôle 18 est relativement faible, ce qui allonge l'intervalle de temps nécessaire au chauffage ini- tial de la feuille étant donné que la barre de transfert émet de la chaleur en direction de la tôle à une vitesse de transfert plus lente que si l'épaisseur de la barre était supérieure. Etant donné que la perte de chaleur dans la tôle est réduite par l'enveloppe calorifuge 14, la surface émis- sive de la tôle 18 commence presque immédiatement à réémet- tre de la chaleur par rayonnement et se rapproche de l'équi- libre thermique avec la barre 12 dans un intervalle compris entre 930 C et 1100 C. Pendant l'intervalle de temps entre l'arrivée de barres successives, la chaleur accumulée dans les replis 22 de la tôle 18 sera transférée aux parties 19 2581159 qui font face à la barre 12. C'est pourquoi, lorsque la barre 12 ne se trouve plus au-dessous du bloc 10 réméettant la cha- leur par rayonnement, les parties 19 de la tôle 18 faisant fa- ce à la barre 12restent à la même température d'équilibre at- teinte précédemment, pendant une période de temps beaucoup plus longue que pour des plaques planes plus épaisses du type actuel, mentionné précédemment, ce qui signifie que, lorsque la barre chaude suivante arrive au-dessous du bouclier thermi- que 10, son extrémité avant se refroidit sur une longueur plus courte que dans le cas de la barre précédente, étant donné que la chaleur est encore retenue dans la zone efficace de rayon- nement du bouclier thermique 10. La chaleur est réémise par rayonnement à partir de la tôle 18 en direction de la-nouvelle barre et l'équilibre thermique entre la tôle 18 et la nouvelle barre est obtenu beaucoup plus rapidement que dans le cas de la barre précé- dente qui avait été disposée au-dessous du bouclier thermi- que, encore froid. La réduction du délai de passage entre des barres successives placées au-dessous du bouclier ther- mique permet d'obtenir une température minimale d'équilibre constante.entre la barre 12 et la tôle 18. La présente in- vention permet également de donner au délai s'écoulant entre les passages de barres successives, une durée plus longue que ce qui est admissible avec des boucliers thermiques de conception actuelle,' avec un rendement identique ou supérieur de réémission de la chaleur par rayonnement. La présente invention a été décrite dans sa forme de réalisation dans laquelle un ensemble formant bouclier - thermique est disposé au-dessus de la barre; cependant, il faut comprendre que, conformément aux enseignements des bre- vets mentionnés précédemment, un tel bouclier thermique peut comporter des panneaux disposés au-dessous de la voie de dé- placement de la barre ou bien qu'on peut disposer un panneau formant écran thermique à la fois au-dessus et au-dessous du trajet de déplacement de la barre; mais on pourrait aussi 81159 1i thiliser d'autres formes de réalisation et d'autres applica- :ions entr-ant dans l'esprit- et l e cadre de la présente in- ïentiorn teIie qu-- défi-nie par les revendications. REVENDICATIONS 1. Bouclier thermique servant à réémettre la cha- leur par rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte: - un matériau calorifuge (14) comportant un certain nombre de sectiornadjacentes (16) accolées ménageant une ou plusieurs surfaces de maintien (20) formées par lesdites sec- tions adjacentes, et - un matériau absorbant la chaleur (18) ayant une caractéristique de montée rapide en températureVdont une partie (19) peut être directement exposée à une source de chaleur et comporte une série de surfaces relativement pe- tites placées côte-à-côte, - que chaque petite surface dudit matériau (18) absorbant la chaleur est en outre sensiblement prolongée par une surfacoelY'ngue (22) disposée de manière à ne pas être exposée directement à ladite source de chaleur (12), - que lesdites surfaces plus longues (22) dudit ma- tériau (18) absorbant la chaleur sont disposées de façon à entourer au moins une partie d'une autre desdites sections accolées (16) dudit matériau calorifuge et sont enserrées par lesdites surfaces de maintien (20) de deux sections ad- jacentes dudit matériau calorifuge, - la nature et la masse thermique dudit matériau absorbant la chaleur (18) et la nature dudit matériau calo- rifuge (16) ainsi que sa disposition par rapport au maté- riau précédent augmentant fortement les caractéristiques de réémission de chaleur par rayonnement dudit matériau absor- bant la chaleur. 2. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit matériau absorbant la chaleur (18) définit une série de logements adjacents placés côte-à-côte dans lesquels sont logéesrespectivement les différentes sec- tions accolées dudit matériau calorifuge (16). 3. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le matériau isolant utilisé comme maté- riau calorifuge (14) et son agencement sous la forme de sec- tions sont déterminés de façon à former un ensemble à haut pouvoir calorifuge. 4. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit matériau absorbant la chaleur (14) possède une capacité calorificue relativement basse et que lesdites surfaces exposées (19) dudit matériau (18) absor- bant la chaleur sont d'une longueur qui est au moins infé- rieure à la moitié de la longueur correspondante desdites surfaces plus longues (22) de ce matériau. 5. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ladite source de chaleur est une pièce à traiter préchauffée (12) apte à chauffer ledit bouclier ther- mique et dont la chaleur est ensuite renvoyée par réémission de chaleur par rayonnement en direction de la pièce à trai- ter ou d'une autre pièce à traiter, et que ledit matériau absorbant la chaleur (18) possède une épaisseur relativement mince par rapport à l'épaisseur de ladite pièce à traiter (12) et est constituée en un matériau qui constitue un puits de chaleur temporaire apte à atteindre rapidement l'équili- - bre thermique avec ladite pièce à traiter. 6. Bouclier thermique selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le rapport de l'épaisseur de la pièce à traiter (12) audit matériau absorbant la chaleur (18) est supérieur à 100/1. 7. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de chauf- fage (24) disposés entre lesdites sections (16) dudit maté- riau calorifuge et portés par au moins certaines de ces sec- tions, de manière à apporter de la chaleur audit matériau absorbant la chaleur (18). 8. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que lesdites surfaces exposées (19) dudit matériau absorbant la chaleur (18) possèdent des propriétés relativement réduites de réflexion de la chaleur. 9. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que lesdites surfaces de maintien (20) dudit matériau calorifuge (16) s'étendent dans une direction s'écar- tant de ladite source de chaleur (12). 10. Bouclier thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit matériau absorbant la chaleur (18) est constitué par une mince tôle de matériau ferreux possé- dant une capacité calorifigue élevée. 11. Bouclier thermique servant à réémettre la cha- leur par rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte une nappe de matériau fibreux calorifuge (14), repliée selon une forme sinueuse de manière à ce que les couches adjacentes (16) de matériau fibreux calorifuge forment une pluralité de replis (20), lesdites couches adjacentes (16) dudit matériau calorifuge étant constituées et agencées de telle sorte que leurs replis (20) soient étroitement appliqués les uns con- tre les autres à l'intérieur d'un panneau, et une feuille continue de matériau ferreux (18) pos- sédant des caractéristiques d'absorption de la chaleur, qui est disposée au moins le long de la surface extérieure de la- dite nappe de matériau calorifuge fibreux et contre cette sur- face selon une disposition sinueuse correspondante de telle sor- te que des parties (19) dudit matériau ferreux (18) envelop- pent les surfaces exposées desdits replis (20) dudit maté- riau calorifuge (14) et que des parties (22) dudit matériau ferreux (18) sont insérées étroitement à l'intérieur desdits replis adjacents (20] dudit matériau calorifuge de manière à être supportées par ces derniers, lesdites surfaces exposées (19) étant exposées à une source de chaleur (12) de telle sorte que la chaleur four- nie par ladite source est absorbée dans les surfaces exposées (19) et conduite et stockée dans lesdites parties (22) desdits replis de la couche voisine de manière à obtenir rapidement l'équilibre thermique entre ledit matériau ferreux (18) et la- cire source de chaleur (12) de manière à ré&mettre la cha- J.ur oar--rayonnement en direction de ladite source de cha- leur (22) afin de maintenir cette dernière à une températu- re prédéterminée.