Brevet FR2829232A1 — publié le 20030307

Procédé pour améliorer le profil de température d'un four La présente invention concerne un procédé pour améliorer le profil de température d'un four et notamment le profil de température d'un four de réchauffage ou de recuit de produits, plus particulièrement de produits sidérurgiques tels que des brames ou des billettes ou des produits plats. Les fours de réchauffage et/ou de maintien en température sont généralement utilisés dans l'industrie sidérurgique, notamment dans le cycle de coulée continue, dans lequel le métal liquide est coulé pour former des produits intermédiaires qui, avant leur passage dans le laminoir en fin de chaîne de coulée continue, passent dans au moins un four dit de réchauffage, dans lequel le produit intermédiaire est amené ou maintenu à une température adéquate, la plus uniforme possible, afin d'être ensuite laminé dans les meilleures conditions. Un four de réchauffage de ce type et son procédé d'utilisation est décrit, par exemple, dans EP-A-0 370 916. Dans un four de réchauffage, il existe généralement au moins une zone équipée de moyens de chauffage, par exemple des brûleurs, afin d'apporter l'énergie nécessaire au réchauffage ou au maintien en température des produits métallurgiques. On distingue souvent trois zones principales dans un four, notamment de réchauffage, caractérisées par des modes de transfert thermique différents : - La zone de chauffe ou de plein feu proprement dite où se développe la combustion (brûleurs, plasmas, chauffage auxiliaires, etc. ) où la température d'ambiance ou du produit est contrôlée et éventuellement régulée. Cette zone se caractérise par le fait que la chaleur est produite in-situ , cette chaleur produite étant un moyen direct du contrôle et/ou de la régulation de la température dans cette zone. - La zone d'épuisement des fumées aussi appelée zone morte, où les fumées ou l'atmosphère provenant de la zone de chauffe perdent au profit du produit sidérurgique entrant dans le four une partie de leur énergie. Cette zone contribue à l'optimisation du rendement thermique du procédé. - La zone dite de récupération comportant un système de récupération qui permet de transférer une partie de l'énergie encore présente dans les fumées ou dans l'atmosphère qui sort du four, au comburant nécessaire à la combustion (préchauffage du comburant). Par recyclage, cette énergie est réintroduite dans le four, ce qui optimise plus encore le bilan énergétique global. Les systèmes actuels de régulation permettent, sauf limitations extérieures, de faire travailler la zone de chauffe et le récupérateur à leur fonctionnement nominal par simple action sur des paramètres directs de régulation de ces zones (Puissance des brûleurs, énergies auxiliaires, échange thermique dans le récupérateur, etc...). Par contre, la zone morte d'un four n'est pas régulée car les échanges thermiques sont totalement dépendants des paramètres de fonctionnement de la zone de chauffe et éventuellement du récupérateur. En particulier, les profils thermiques dans ladite zone ne sont pas optimisés car ils dépendent des conditions de flux de matière (fumées et produits métallurgiques) dans le four et de leurs conditions de température. La seule contrainte qui est généralement imposée par l'utilisateur du four est l'épuisement des fumées (échange thermique optimal entre les fumées et les produits ou le four) dans cette zone afin de respecter la limitation de la température de sortie des fumées de cette zone afin de ne pas endommager le système de récupération des fumées et de limiter les pertes thermiques par les fumées si celles-ci ne sont pas récupérées. Lors de la construction du four, cette zone est donc dimensionnée pour assurer un refroidissement suffisant des fumées provenant de la zone de chauffe. La figure 1 permet de mieux expliquer le fonctionnement d'un four de réchauffage de type connu et les problèmes à résoudre pour améliorer son fonctionnement. Sur la figure 1, le four de réchauffage 1 est représenté schématiquement avec les produits métallurgiques 5 avançant (grâce à un système de longerons 14 et des moyens d'entraînement non représentés sur la figure 1) de la droite vers la gauche, le sens d'avancement de ces produits étant représenté par les flèches 7. Le four 1 comporte ici une zone de chauffe 2 dans laquelle la température varie entre 12000C et 1400 C, cette zone 2 étant équipée de brûleurs et comportant une ou plusieurs zones de régulation. Les brûleurs ne sont pas représentés sur cette figure. Seul le circuit d'air chaud est sommairement représenté (13). Le four comporte également une zone morte 3, qui est généralement le chemin de passage préférentiel des fumées, dans laquelle la température des fumées est généralement de l'ordre de 9000C à 1100 C, ce qui est suffisant pour préchauffer et échanger thermiquement de façon efficace avec les produits sidérurgiques et enfin une zone souschauffée 4 qui fait partie de la zone morte 3, située généralement à proximité de l'entrée des produits sidérurgiques et généralement au-dessus de ceux-ci (en particulier si la canalisation de récupération des fumées 8 est située sous le niveau d'entrée des produits sidérurgiques) et dont la température varie entre 6000C et 900 C : cette température est généralement trop basse pour préchauffer efficacement les produits sidérurgiques. Les fumées servent à préchauffer l'air (comburant) issu du générateur de comburant 11 via la canalisation 10, dans le récupérateur 9 d'où le comburant sort préchauffé dans la canalisation 12 qui alimente les brûleurs 13 en comburant (les canalisations de combustible des brûleurs ne sont pas représentées sur la figure 1). Dans un tel mode de fonctionnement, la zone morte 3 est peu chauffée pendant toute la durée de la production et il existe en fait la possibilité pour avoir, au moins pendant une partie du temps de production, une température plus élevée dans cette zone afin d'avoir un meilleur préchauffage des produits sidérurgiques. Cependant, cette augmentation de température dans la zone morte ne doit pas se traduire par une augmentation corrélative de la température des fumées à la sortie du four. En effet, si l'on est capable d'augmenter la température de la zone morte (et donc des fumées) d'environ 200oC, par exemple, le problème qui se pose est que l'on ne veut pas que ces fumées sortent du four à une température qui soit supérieure de 200 C à leur température de sortie habituelle. En effet, s'il n'existe pas de récupérateur en sortie de four, la température des fumées étant plus élevée de 200 C, c'est toute l'énergie thermique correspondante qui est perdue et le bilan thermique (donc financier) du four devient inacceptable. De même, s'il existe un récupérateur (comme décrit sur la figure 1), celui-ci travaillant habituellement à une température proche de sa température maximale (autrement dit, la température des fumées entrant dans le récupérateur est proche de la température maximale que peut supporter le récupérateur sans subir de dommages), il n'est pas possible de l'alimenter avec des fumées dont la température aurait été augmentée de 200 C. Par conséquent, l'homme de métier est confronté au problème de l'augmentation substantielle de la température de la zone morte du four, et notamment sa température de voûte sans augmentation substantielle corrélative de la température des fumées à la sortie du four. L'invention permet de résoudre le problème technique ainsi posé. Dans ce but l'invention prévoit d'utiliser des moyens de chauffe complémentaires, placés dans la zone morte (3) du four (ou ayant une action thermique sur la zone morte du four), sans création substantielle de fumées additionnelles, de manière à éviter ainsi tout transfert substantiel d'énergie, et notamment l'énergie engendrée par ces moyens de chauffe complémentaires, par l'intermédiaire des fumées (et notamment des fumées additionnelles). Par création substantielle de fumées additionnelles, on entend, selon l'invention, la création d'au moins 10% en volume de fumées additionnelles, par rapport au volume des fumées créées dans le four en l'absence des moyens de chauffe complémentaires. Par conséquent, selon l'invention, les moyens de chauffe complémentaires seront dimensionnés de manière à ne pas créer plus de 10% vol. des fumées additionnelles, et de préférence pas plus de 5% vol. de fumées additionnelles, par rapport au volume de fumées crées par les autres brûleurs du four, en l'absence de ces moyens de chauffe complémentaires (les autres brûleurs du four fonctionnant de manière identique dans les deux cas, aux fins de comparaison de volumes de fumées). L'énergie produite par ces moyens complémentaires pourra représenter jusqu'à 20 % de l'énergie totale fournie (ou encore jusqu'à 25 % de la puissance initiale installée). Les moyens de chauffe complémentaires, selon l'invention, seront de préférence des brûleurs dont le comburant de l'un au moins de ces brûleurs est enrichi à l'oxygène (plus de 21% 02 dans l'oxygène), de préférence des brûleurs dont le comburant comporte plus de 88% vol. d'oxygène (par exemple, de l'oxygène fourni par un appareil de séparation des gaz de l'air par adsorption de type VSA , bien connu de l'homme de l'art) et plus préférentiellement de l'oxygène industriellement pur à plus de 95% d'oxygène en volume, le complément étant de préférence, essentiellement de l'argon et de l'azote. Le comburant pourra comporter de 1 % à 10 % en volume d'argon et/ou de 0,1 % à 10 % en volume d'azote. Bien entendu, un comburant contenant 100% d'oxygène convient parfaitement. D'autres moyens de chauffe que les brûleurs à oxygène peuvent convenir, notamment ceux qui n'engendrent aucune fumée supplémentaire comme les panneaux radiants (résistances électriques chauffantes), les brûleurs radiants ou encore les brûleurs de type régénératifs qui ne génèrent pratiquement que très peu de fumées additionnelles dans le circuit normal des fumées car ils sont prévus pour aspirer l'air extérieur, le préchauffer par échange thermique avec un volume de fumées équivalent lui aussi aspiré dans le four, rejeter les fumées hors du four dans un circuit de fumées spécifique après épuisement thermique de celles-ci et utilisation de l'air ainsi préchauffé comme (au moins une partie du) comburant dans le brûleur. Les moyens de chauffe complémentaires seront généralement disposés dans la zone morte, à l'opposé du conduit d'évacuation des fumées vers le récupérateur, (lorsqu'il existe un tel récupérateur). L'évacuation des fumées étant souvent en partie basse du four, les moyens de chauffe complémentaires seront donc de préférence placés dans la partie haute (vers la voûte) du four. La situation inverse reste cependant possible. Diverses dispositions de ces moyens de chauffe additionnels sont possibles. Par exemple, un ou plusieurs brûleurs (ou équivalent) dans la paroi 20 (fig. 2) du four, juste au-dessus de la zone d'entrée des produits dans le four ou bien un ou plusieurs brûleurs dans un bloc (ou une niche) de traverse 21 (fig. 2) placé dans la voûte ou encore sur la paroi frontale au chargement 22, de préférence à la limite aval de la zone morte (dans le sens de défilement du produit) avec des flammes orientées soit vers l'entrée du produit dans le four (dans le sens des fumées), soit vers la sortie des produits du four (à contre courant des fumées) ou une combinaison des deux ou bien un ou plusieurs brûleurs dans au moins une des parois latérales du four, au niveau des produits, dans la zone morte ou bien une combinaison de ces différentes options. Pour l'installation des moyens de chauffe complémentaires selon l'invention dans un four, on peut distinguer généralement trois situations différentes, notamment dans le cas des fours de réchauffage : La première, dans laquelle la puissance délivrée par les brûleurs dans la zone de chauffe est importante et l'on atteint la limite maximale de température de voûte du four, tandis que les fumées sont évacuées du four après passage dans la zone morte à une température qui est assez éloignée de la température maximale d'entrée des fumées dans le récupérateur. Dans ce type de configuration, il n'est pas possible de chauffer plus, en amont, (dans la zone de chauffe) avec les brûleurs existants, même si les températures des parois et de la voûte en zone morte sont trop faibles pour assurer un bon préchauffage des produits sidérurgiques. La seconde, dans laquelle, contrairement à la précédente, la température des fumées en sortie de zone morte est maximale, tandis que la température de la voûte dans la zone de chauffe est nettement inférieure à la température maximale que peut supporter cette voûte. Dans cette configuration, on ne peut augmenter la puissance en zone de chauffe, sous peine d'endommager la voûte dans la zone morte et/ou le récupérateur. Enfin la troisième, dans laquelle ni la température en zone de chauffe, ni la température des fumées en zone morte, n'atteignent leurs valeurs maximums, ce qui se traduit par des températures de voûte inférieures aux maxima à la fois dans la zone de chauffe et dans la zone morte. La présente invention consiste en la mise en oeuvre d'un moyen de chauffe complémentaire qui permet d'augmenter les transferts thermiques au produit dans la zone morte sans engendrer de transfert d'énergie important vers l'évacuation des fumées au four. Dans ce but, ce moyen de chauffage additionnel permet notamment de porter tout ou partie de la zone morte à sa température maximale admissible Tmax Voûte, cette température dépendant généralement de la géométrie et des éléments constitutifs du four, le choix des moyens additionnels de chauffage et de la vitesse, notamment, de circulation des fumées étant tel que la température desdites fumées ne dépasse pas la température maximale admissible T max Fumées. Ce reprofilage de température apportera le transfert thermique maximal possible dans cette portion du four. Dans les espaces où la température est nettement inférieure aux limitations réelles de l'installation ou aux limites des pertes thermiques acceptables, les transferts thermiques aux produits sont très largement inférieurs au potentiel (quasi-absence de transferts radiatifs et faibles transferts convectifs). La limite maximale de température au niveau du récupérateur est généralement de l'ordre de 900 C. Selon un autre aspect de l'invention, il est donc nécessaire de contrôler la température des fumées en sortie de four de manière à maintenir celle-ci en dessous de la valeur limite (par exemple 9000C dans l'exemple ci-dessus), par exemple en régulant le moyen de chauffe complémentaire grâce à la mesure de la température des fumées en sortie de four. En pratique, on a constaté par la mise en oeuvre de l'invention décrite ci-dessus que la puissance totale délivrée dans le four est supérieure de 5 à 20% de la puissance initiale. Le profil de température en entrée de four est plus élevé (900'C à 1200 C), notamment dans des zones très peu valorisées auparavant (600 C-900 C). L'augmentation de production engendrée se situe entre 5% et 25%, suivant les puissances installées. La perte d'énergie dans ces conditions reste inférieure à 5 %. En plus de l'augmentation de production et/ou de productivité engendrée par l'invention, celle-ci permet également des gains opératoires multiples et notamment : amélioration de l'uniformité en température du produit, amélioration de la qualité de surface du produit, réduction des déformations de produits. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de réalisation suivant, mis en oeuvre sur un four de réchauffage, conjointement avec la fig. 2 qui représente une mise en oeuvre de l'invention. On a installé des brûleurs oxycombustibles dans la zone morte d'un four dont la puissance représente environ 10% de la puissance aérocombustible existant sur le four. En l'absence de ces brûleurs oxycombustibles, la température dans la zone morte du four testé était typiquement d'environ 6500C et la température en tête de récupérateur était d'environ 820 C (inférieure à 850 C). Après installation de brûleurs oxycombustibles utilisant de l'oxygène du type VSA (t'oxygène fourni pour le comburant comporte plus de 88 % O2, de préférence plus de 95 % vol. Oz, le complément étant de l'azote et de l'argon) et une température de régulation portée à 900 C dans la zone morte, il n'y a pas d'augmentation notable de la température en tête de récupérateur. Le reprofilage de la température de voûte engendre une augmentation de production de 5%, pour une augmentation de la puissance de 5%. La même configuration aérocombustible engendrerait une augmentation de la température des fumées de 20 C, ce qui ne serait pas compatible avec un fonctionnement du récupérateur en toute sécurité (la température maximale étant atteinte). Selon l'invention, quand la régulation de température à une valeur de consigne a été portée à 1100 c dans la même zone (3) dite morte avant ajout des moyens d'oxycombustion), on a noté une augmentation de production qui atteint 10% et une augmentation de température au niveau du récupérateur qui reste limitée à moins de 20 C. Ce fonctionnement optimisé permet d'obtenir le meilleur profil de température de voûte du four sans engendrer de perte thermique inutile et sans risque notamment pour le récupérateur. Par comparaison, un fonctionnement similaire mais avec des brûleurs aéro-combustible rajoutés dans la zone morte engendre des pertes supplémentaires dues à cette zone morte ainsi chauffée, quatre fois supérieures (approximativement le ratio des fumées aérocombustibles/fumées oxycombustibles), la température en tête de récupérateur augmentant de 100 C, fonctionnement non autorisé par sécurité pour le récupérateur. Sur la figure 2, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent les mêmes références. On a schématisé au-dessus de la zone morte 4 les canalisations 16,17 d'arrivée d'oxygène issu du générateur d'oxygène 18, alimentant trois brûleurs oxycombustibles (20) placés dans une paroi latérale du four 1 (on retrouve les mêmes brûleurs dans la paroi opposée à celle-ci). Le repère 21 représente une autre implantation possible des brûleurs (supplémentaires) oxycombustibles dans la voûte du four pour le chauffage complémentaire de la zone morte 3. Les brûleurs supplémentaires peuvent également être implantés dans la zone 4 (partie de la zone 3) peu chauffée du four, par exemple à l'emplacement du repère 22 sur la figure 2. La figure 2a qui est un agrandissement d'une partie de la zone morte 3 du four, montre l'implantation possible de ces différents brûleurs 20 et/ou 21 et/ou 22 et leurs flammes respectives 23,24 d'une part pour les brûleurs 21 et 25 d'autre part pour le brûleur 22. Comme expliqué ci-avant, on peut ne choisir qu'une seule flamme 23 ou 24, ou éventuellement les deux (une à contre-courant des fumées, l'autre dans le sens des fumées). Le procédé selon l'invention apporte aussi une flexibilité aux moyens de production d'un utilisateur de fours, car les moyens additionnels ou complémentaires peuvent être arrêtés ou mis en puissance (arrêt ou marche) selon les besoins de production/productivité du four. Il s'ensuit que le four fonctionnera, selon l'invention, avec une température dans la zone dite de récupération et/ou épuisement des fumées qui peut très nettement être supérieure à la température limite du récupérateur. REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter de façon permanente ou temporaire la productivité et/ou la qualité du produit réchauffé en améliorant le profil de température d'un four de réchauffage de produits, ledit four comportant au moins une première zone dite zone morte, dans laquelle les produits introduits dans le four sont réchauffés au contact des fumées issues d'une deuxième zone, située en aval de la première dans le sens de défilement des produits dans le four, cette deuxième zone comportant des moyens de chauffage principaux, engendrant une puissance initiale installée, généralement du type brûleurs air-combustible, caractérisé en ce que des moyens de chauffe complémentaires, dimensionnés de manière à fournir au moins 10 % de la puissance initiale installée et jusqu'à 25 % de celle-ci sont installés dans la zone morte du four, lesdits moyens de chauffe complémentaires créant au plus 10% en volume de fumées additionnelles par rapport au volume de fumées créées dans la zone de chauffe par les moyens de chauffage principaux en l'absence de moyens de chauffe complémentaires dans la zone morte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au plus 5% en volume de fumées additionnelles sont créées par les moyens de chauffe complémentaire. 3. Procédés selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffe complémentaires sont des brûleurs dont le comburant comporte plus de 21% d'oxygène. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérise en ce que le comburant comporte plus de 88% volume d'oxygène. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le comburant est un mélange de gaz comburant dont l'un des éléments est de l'oxygène impur comportant plus de 88% en volume d'oxygène. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'un des éléments du mélange est de l'air. 7. Procédé selon l'une revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le comburant comporte de 1% à 10% en volume d'argon. 8. Procédé selon l'un des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le comburant comporte de 0, 1% à 10% en volume d'azote. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffe complémentaires sont classés parmi les brûleurs oxycombustible, les résistances électriques chauffantes, les brûleurs de type régénératif. 10. Four de chauffage de produits, caractérisé en ce qu'il comporte une première zone équipée de moyens de chauffe complémentaires classés parmi les brûleurs oxycombustible, les résistances électriques chauffantes et les brûleurs régénératifs et une deuxième zone comportant au moins un brûleur aérocombustible, et en ce que des moyens de chauffe complémentaires, dimensionnés de manière à fournir au moins 10 % de la puissance initiale installée et jusqu'à 25 % de celle-ci sont installés dans la zone morte du four, lesdits moyens de chauffe complémentaires créant au plus 10% en volume de fumées additionnelles par rapport au volume de fumées créées dans la zone de chauffe par les moyens de chauffage principaux en l'absence de moyens de chauffe complémentaires dans la zone morte. 11. Four selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de chauffe complémentaires sont situés à l'opposé de conduit d'évacuation des fumées du four. 12. Four selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie des moyens de chauffe complémentaires est située juste au-dessus de la zone d'entrée des produits dans le four. 13. Four selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie des moyens de chauffe complémentaires est située juste au-dessous de la zone d'entrée des produits dans le four. 14. Four selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que une partie au moins des moyens de chauffe complémentaires est située dans une niche de traverse 21 placé dans la voûte, de préférence à la limite aval dans le sens de défilement des produits, de la zone morte. 15. Four selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'une partie au moins des moyens de chauffe complémentaires est placée sur la face d'enfournement du four. 16. Four selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'une partie au moins des moyens de chauffe complémentaires est placée latéralement.