Brevet FR2813893A1 — publié le 20020315

La présente invention concerne un procédé de réchauffage de produits métallurgiques dans lequel on procède au réchauffage de produits solides, notamment en acier afin de les amener d'une température inférieure à sensiblement 400 C à une température d'au moins environ 1000 C par passage dans un four comportant une zone amont dans laquelle lesdits produits sont préchauffés et une zone aval dans laquelle lesdits produits sont amenés à leur température finale de sortie du four, la zone aval du four étant équipée de brûleurs dont certains au moins fonctionnent avec un comburant qui est de l'air, les fumées engendrées par ces brûleurs circulant à contre courant des produits et venant préchauffer ceux-ci dans la zone amont de préchauffage. Les fours de réchauffages en sidérurgie sont utilisés pour réchauffer des produits en acier issus notamment de la coulée continue et les amener à la température de laminage qui est de l'ordre de 1000 à 1300 C. Les fours de ce type sont habituellement constitués de plusieurs zones successives. En commençant par l'enfournement (dans le sens de défilement des produits dans le four), ces zones successives sont la zone amont dite d'épuisement des fumées (ou de récupération) dans laquelle on récupère l'énergie thermique des fumées produites en aval du four et qui circulent à contre courant des produits à réchauffer, pour commencer à préchauffer ces produits. Cette zone de préchauffage étant suivie d'une ou plusieurs zones de chauffage, et le four se terminant par une zone dite d'égalisation qui sert à assurer l'homogénéité de température du produit à la sortie du four. Des brûleurs peuvent être installés de préférence de part et d'autre du produit qui circule depuis la zone de préchauffage jusqu'à la fin de la ou des zone(s) de chauffage. De tels brûleurs peuvent également être placés dans la voûte du four (cas des voûtes radiantes) ou encore dans des niches suivant la largeur du four. Lors du passage des produits dans les différentes zones successives du four de réchauffage, la température du produit à la surface et à l'intérieur de celui-ci va progressivement augmenter. Compte tenu des temps caractéristiques de la conduction thermique notamment de l'acier, il existe une différence de température entre la face supérieure du produit et la face inférieure ou encore entre la face supérieure du produit et le coeur du produit. La maîtrise de ces inhomogénéités thermiques est un aspect important de l'invention. Ce problème d'homogénéité de la température du produit est d'autant plus important que la puissance thermique que l'on peut injecter dans un four de réchauffage est limitée. Cette limitation peut être d'origine multiple : volume des fumées limité, température d'une ou plusieurs zones du four au maximum, température à l'entrée du récupérateur d'énergie au maximum, etc. Dans tous les cas, la limitation de la puissance thermique injectée conduit à une limitation de l'énergie transmise au produit et donc à une apparition ou un renforcement des in homogénéités' thermiques dans la masse du produit. Afin de mieux expliciter le problème posé à l'homme de métier, on a représenté sur la figure 1 la courbe de l'évolution de la différence de température AT (définie ci-après) lors du réchauffage du produit. Pour un four où les produits reposent sur la sole, la différence de température AT sera la différence entre la température de la surface supérieure du produit exposé au rayonnement du four et la température de la surface inférieure du produit en contact avec la sole. Pour un four à longerons aériens, c'est à dire dans lequel les gaz chauds du four circulent tout autour du produit, la différence de température OT sera la différence entre la température de surface et la température au coeur du produit. Sur la figure 1, on a représenté en abscisses la position du produit dans le four et en ordonnées la valeur de OT. La différence de température initiale (0T ;n;t) peut être nulle, lorsque le produit est enfourné à température ambiante, ou non-nulle dans le cas de produits dont la température n'est pas encore redevenue homogène, par exemple dans le cas de traitement des produits métallurgiques peu de temps après leur élaboration. Sur la figure 1, X représente la position du produit dans le four, l'abscisse 0 étant le point d'enfournement des produits dans le four, tandis que XB est l'abscisse de défournement ou de sortie du four. La courbe (C) de variation de OT en fonction de X sur la figure 1 comporte un point A où le paramètre OT atteint un maximum (OTmax), un point D où le paramètre AT à une valeur OT;n;t. qui est la valeur de OT à l'enfournement du produit et un point B ou le paramètre AT a une valeur OTfnai, à la sortie du produit du four (défournement). Quelque part au milieu du four, au point d' abscisse XA, l'écart de température AT atteint son maximum (OTmax). Cette valeur ATmax doit être la plus faible possible, car un écart important en température équivaut à des déformations du produit (flambage) qui peuvent engendrer une détérioration du produit ou une impossibilité de fonctionnement du four ou une impossibilité de laminage du produit à la sortie du four. Ainsi, sur certains fours, les opérateurs doivent limiter la puissance du four et/ou la production du four pour éviter l'apparition de différences de température AT trop importantes , ce qui est un inconvénient majeur pour un industriel. C'est donc un premier objet de la présente invention que d'éviter l'apparition de différences de températures trop importantes dans le produit pendant toute la durée de son passage dans le four. La figure 2 illustre la relation entre la différence de température OT et la flèche c'est à dire la déformation verticale du produit lors de son passage dans le four. Sur cette figure 2, on a représenté la courbe (C) comme sur la figure 1 et une courbe (F) qui représente la déformation verticale du produit en fonction de X. On a constaté que le maximum de la déformation correspondait sensiblement au maximum de OT (ATmax pour une abscisse X = XA). Par ailleurs, on a mis en évidence un autre paramètre important constitué par l'écart de température OTfna, en sortie de four. Idéalement, OTfnal devrait être nul en sortie de four (défournement). En pratique, on tolère un certain écart de température ATfna, qui ne doit pas dépasser environ 100 C pour les billettes et 200 C pour les brames et blooms. Un écart de température important provoque en effet des difficultés de laminage qui peuvent aller jusqu'à des incidents mécaniques dans certaines cages du laminoir. De plus, toute inégalité en température se traduit par une baisse de qualité sur le produit fini. C'est également un objet de la présente invention que de réduire ATfnai d'un produit sortant d'un four de réchauffage sans augmenter la consommation d'énergie dans le four. L'article intitulé "Efficient opération of continuous reheat furnaces through oxygen optimization of combustion system" par G. GITMAN, T.WECHLER et B. LEVINSON, publié dans la revue.Industrial Heating ,décrit différents systèmes de réchauffage de produits métallurgiques et suggère d'utiliser des brûleurs oxy-combustibles à la place des brûleurs aéro-combustibles habituels, de manière à augmenter le transfert d'énergie aux dits produits et maintenir ou même augmenter le OTma, de ces produits, comme illustré sur figure 7 de cet article. Contrairement au procédé décrit dans l'article ci-dessus, le procédé selon l'invention consiste en l'installation de brûleurs dont le pourcentage en oxygène du comburant est supérieur à 21 % vol. et inférieur ou égale à 100% vol. (ci-après désigné par oxybrûleur ), ces brûleurs étant installés dans le four de manière à ce qu'ils soient les premiers brûleurs vus par les produits à traiter lors de leur progression dans le four, après leur enfournement. La zone de préchauffage constituée par ces oxybrûleurs est donc la première zone de préchauffage du four. Dans le cas de fours neufs, l'invention consiste donc à placer des oxybrûleurs dans la zone du four où doivent être placés les premiers brûleurs ( premiers au regard du sens de défilement dans le four du produit métallurgique). Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on dispose au moins un brûleur dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par un comburant et un combustible, le comburant contenant plus de 21 % et de préférence plus de 30% en volume d'oxygène. L'alimentation en comburant et combustible du brûleur peut se faire soit par injection séparée (des injecteurs débouchant dans le four), soit par injection coaxiale (brûleur multitubes coaxiaux)), soit par prémélange comburant et combustible avant injection dans le brûleur puis le four. Ces différentes techniques d'injections sont en soi bien connues de l'homme de métier. Dans le cas d'une modification d'un four existant, l'invention peut comporter deux variantes de réalisation. La première variante consiste en la création d'une nouvelle zone de four comportant des oxybrûleurs. Pour cela on installe les oxybrûleurs dans une zone du four qui n'en comportait pas initialement. A titre d'exemple, cela peut consister en l'installation d'oxybrûleurs en fin de la zone du four dite de récupération, juste avant la première zone de chauffe (qui comporte normalement des brûleurs aéro combustible). La seconde variante consiste à la conversion d'une zone existante, c'est à dire que l'on retire tout ou partie des brûleurs aérocombustibles d'une zone de préchauffage existante pour leur substituer des oxybrûleurs installés dans la même zone. Les deux variantes de la solution ci-dessus dans les fours existants, peuvent être mises en oeuvre séparément ou en combinaison. Selon une troisième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est fonction de la température de préchauffage des brûleurs aéro-combustibles existants, la proportion d'oxygène étant choisie de telle sorte que le rendement thermique dudit brûleur oxycombustible soit supérieur au rendement thermique des brûleurs aéro-combustibles existants. Selon une quatrième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur est supérieure ou égale à 88% vol., de préférence supérieure ou égale à 95% vol. Selon une cinquième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant fourni audit au moins un brûleur est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air. Selon une sixième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant fourni audit au moins un brûleur est, un mélange d'oxygène issu d'un VSA (Système Vacuum Sewing Adsorption , bien connu de l'homme de métier) et d'air. Enfin, selon un autre aspect de l'invention, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant injecté dans ledit au moins un brûleur comporte de 1 à 5% d'argon en vol. La masse molaire et la masse volumique de l'argon étant plus élevée que respectivement celles de l'oxygène, la présence d'argon dans le comburant contenant de l'oxygène permet d'augmenter la quantité de mouvement de la flamme. Cette augmentation de quantité de mouvement donnera une flamme plus stable, moins sensible aux écoulements transverses, plus proche du produit métallurgique à réchauffer et aura donc pour conséquence un chauffage plus efficace et plus homogène du produit à réchauffer. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, conjointement avec les figures qui représentent La figure 3, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un four de réchauffage de billettes. La figure 4, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un four de réchauffage de brames. La figure 5, un exemple de réalisation de l'invention en conservant une production horaire constante, montrant une réduction de la consommation de combustible. La figure 6, un exemple de réalisation de l'invention dans lequel on augmente la production du four tout en conservant les mêmes écarts de température AT que lors du fonctionnement avant mise en oeuvre de l'invention. Les figures 7 et 8, une comparaison de l'utilisation de l'air et de l'oxygène. La figure 9 illustre la mise en oeuvre de l'invention selon la figure 3. L'invention peut s'appliquer à différents types de four, qu'il s'agisse de fours neufs sur lesquels on peut installer directement le procédé de l'invention ou de fours existants qui sont alors modifiés. Dans tous les cas, un des paramètres importants du procédé selon l'invention est d'utiliser comme comburant dans au moins certains brûleurs du four, de l'air enrichi en oxygène, dont le pourcentage en oxygène peut varier selon le but recherché. Ainsi le pourcentage en oxygène dans le comburant pourra varier de plus de 21 % vol. à 100% vol. Lorsqu'on augmente le pourcentage d'oxygène dans le comburant, ceci revient à augmenter le rendement thermique du brûleur utilisant ce comburant. Augmenter le rendement thermique d'un ou plusieurs brûleurs sur un four de réchauffage a des conséquences sur le four et son environnement en particulier en terme d'économie d'énergie. La figure 7 représente l'évolution du rendement et du volume des fumées en fonction de paramètres tels que la température de préchauffage de l'air, d'une part, et le pourcentage d'oxygène, d'autre part. Sur cette courbe, on voit que quelle que soit la température de préchauffage de l'air (lorsqu'on utilise de l'air comme comburant), il est possible de trouver un pourcentage d'oxygène dans le comburant qui donne un meilleur rendement qu'avec la combustion à l'air. Par exemple, si la température de préchauffage de l'air est de 300 C, tout comburant dont le %02 est supérieure à 30% vol. (d'après la figure 7) donnera un meilleur rendement thermique, synonyme d'économie d'énergie. Un autre avantage de l'invention est lié au volume de fumées dans le four. La figure 8 représente l'évolution du volume des fumées (en Nm3/h par kW de combustible) en fonction du pourcentage d'oxygène dans le comburant. Le volume de fumées lorsqu'on utilise de l'air ( référence aéro sur la figure 8) est valable quelle que soit la température de préchauffage de l'air. A titre d'exemple, l'utilisation d'oxygène pur comme comburant permet de réduire le volume des fumées de 10.6 à 3 Nm3/h soit une réduction d'un facteur de 3.5. Cette réduction du volume des fumées permet un meilleur fonctionnement du récupérateur qui permet donc l'augmentation de la tirée du four, comme expliqué ci-après. Le volume de fumées dans le four est directement lié à la pression dans le four (qui doit rester minimale): augmenter la puissance thermique délivrée dans le four en conservant l'air comme comburant signifierait effectivement une augmentation du volume des fumées dans le four et donc une augmentation de la pression dans le four ce qui engendrerait des risques de détérioration du four, pouvant aller jusqu'à sa destruction. La mise en oeuvre de l'invention peut s'effectuer de différentes manières, selon le but à obtenir, qui vont être exposées ci-après Production horaire constante L'utilisation de l'invention avec la même tirée (production horaire constante de métal réchauffé) est réalisée grâce à l'installation d'oxybrûleurs dans la zone concernée en faisant fonctionner ces oxybrûleurs à une puissance donnée (P oxy) tout en réduisant la puissance des brûleurs aéro-gaz des autres zones de chauffe d'une puissance au moins égale à la puissance des oxybrûleurs P oxy mais inférieur à deux fois la puissance Poxy. (Poxy OTmax est abaissé tandis que ATf,al est également abaissé. Augmentation de la production horaire La figure 5 montre une autre conséquence de l'invention : on peut augmenter la production horaire en conservant les valeurs de ATmax et OTf,aIe telles qu'elles sont dans le four en utilisant une combustion à l'air uniquement. Cette augmentation de production horaire peut avoir lieu de deux manières augmentation de la cadence de défournement en conservant la taille du produit réchauffé ou conservation de la cadence de défournement et augmentation de la taille du produit réchauffé. Conservation de la taille du produit. Pour un même produit, l'augmentation de tirée se traduirait par une augmentation de la cadence de défournement. Le temps de résidence dans le four est donc réduit et les températures du produit n'ont plus le temps de s'homogénéiser: OTmax et OTf,a, augmentent ce qui rend impossible l'augmentation de tirée. La mise en oeuvre de l'invention permet de réduire OT,ax et QTfna, et donc permet à nouveau l'augmentation de tirée. Les valeurs OTmax et ATf"a, vont revenir à leur valeur initiale, mais la production horaire aura été augmentée, et ce sans consommation supplémentaire d'énergie. La figure 6 représente différents cas de figures possibles théoriques avec différentes courbes : OT = f (position du produit dans le four). La courbe G représente le cas d'une combustion 100% air (four existant), la courbe H représente le même four équipé de brûleurs oxycombustibles permettant l'augmentation de production, et la courbe I représente le même four équipé de brûleurs oxycombustibles permettant de garder une production constante mais d'abaisser ATmax et OTfna, . Augmentation de taille des produits Un autre moyen d'augmenter la production horaire est d'augmenter la taille des produits à cadence de défournement constante. Les conséquences sont identiques que celles décrites ci-avant. Quand la taille des produits augmente , le temps caractéristique de la conduction n'est pas modifié et les écarts de température vont donc se creuser ; OTmax et OTfna, augmentent si la combustion se fait uniquement à l'air. La mise en oeuvre de l'invention permet à nouveau de baisser dans un premier temps ces valeurs et donc de traiter (réchauffer) des produits de taille plus importante. Exemple 1 Sur La figure 3 on a représenté la mise en oeuvre de l'invention sur un four 1 de billettes avec des longerons en sole, le four ayant une puissance d'environ 30 MW, une tirée de 92 i/h. Le four est constitué d'une zone amont 5 constituant la première moitié du four et d'une zone aval 6 occupant la deuxième moitié du four. Les produits 8 entrent dans le four 1 par l'entrée 2 et se déplacent de la droite vers la gauche sur la figure, vers la sortie 3. Les brûleurs aérocombustibles de la zone aval 6 ont été conservés, tandis que plusieurs brûleurs oxycombustibles 11 ont été installés sur la moitié environ de la zone amont 5 (moitié la plus proche de la zone aval 6). Les fumées circulent de la sortie vers l'entrée, à contre courant des produits 8 qui sont ainsi préchauffés à leur contact. Les fumées sont évacuées par la cheminée 4. Les résultats suivants ont été obtenus sur ce four Référence Four selon l'invention aéro combustion (avec oxycombustion Production 92 100 110 tlh Puissance 30 MW air comb. 26 MW air comb. + 30 MW air comb. + Combustible 4 MW brûleur oxy 4MW brûleur oxy OT 50 C -50% (25 C) -20% (40 C) Ainsi, à puissance consommée identique, avec quatre brûleurs oxycombustibles régulièrement espacés sur la moitié aval de la zone amont, moitié la plus proche de la première zone de chauffe aéro combustible existante (ou zone aval du four), on gagne 10% environ en tirée et on baisse de 50% le coefficient AT, tandis qu'une augmentation de 20% de la tirée permet malgré tout un abaissement de la valeur du coefficient AT des produits d'environ 20%. Par ailleurs, pour un coût total de production de 100 dans le cas de référence (air) pour une tirée de 92 tonnes/heure (incluant les coûts de réchauffage et de laminage du produit), on obtient pour le cas d'une tirée à l'oxygène de 110 t/h, un coût de 88, soit 12% de gain sur le prix total de la tonne de produits finis (par exemple des laminés marchands). En outre, les NOx émis par le four dans les fumées sont réduits de 10 à 20% selon les cas. Sur la figure 9 est représenté une courbe expérimentale de OT = f (position dans le four) pour le four selon l'invention décrit ci-dessus. Cette figure 9 est tout à fait semblable à la figure 5. Exemple 2 La figure 4 représente un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention avec un four de réchauffage de brames. Sur la figure 4, les mêmes éléments que ceux de la figure 3 portent les mêmes références. Dans ce type de fours existants (fig. 4a), la zone amont 5 du four comporte déjà une zone de chauffe 6, alimentée par des brûleurs aéro-gaz, selon les dispositions de la figure 4a. En remplaçant les brûleurs 10 (fig. 4a) par les brûleurs 11 (fig. 4b), on constate là encore une diminution du AT des produits de l'ordre de 30% pour une augmentation de la tirée pouvant aller jusqu'à 50% si la puissance consommée totale est conservée. La disposition des brûleurs 11 suit les règles exposées ci- dessus pour l'installation des brûleurs oxycombustibles. REVENDICATIONS 1. Procédé de réchauffage de produits métallurgiques dans lequel on procède au réchauffage de produits solides, notamment en acier afin de les amener d'une température inférieure à sensiblement 400 C à une température d'au moins environ 1000 C par passage dans un four comportant une zone amont dans laquelle lesdits produits sont préchauffés et une zone aval dans laquelle lesdits produits sont amenés à leur température finale de sortie du four, la zone aval du four étant équipée de brûleurs dont certains au moins fonctionnent avec un comburant qui est de l'air, les fumées engendrées par ces brûleurs circulant à contre courant des produits et venant préchauffer ceux-ci dans la zone amont de préchauffage, caractérisé en ce que l'on dispose au moins un brûleur dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par du comburant et du combustible, le comburant contenant plus de 21 % et de préférence plus de 30% en volume d'oxygène. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on modifie un four existant, caractérisé en ce que ledit brûleur oxycombustible situé dans la zone amont du four, est installé à un emplacement qui ne comportait pas de brûleur initialement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on modifie un four existant, caractérisé en ce que le dit brûleur oxycombustible est substitué à un ou plusieurs brûleurs aérocombustibles existants. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est choisie en fonction de la température de préchauffe de l'air de combustion des brûleurs aéro combustibles existants. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est supérieure ou égale à 88% vol., de préférence supérieure ou égale à 95% vol. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le comburant fourni audit brûleur oxycombûstible est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le comburant fourni audit brûleur oxycombustible est un mélange d'air et d'oxygène issu d'un VSA. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible comporte de 1 à 5% d'argon en vol. environ.