Brevet FR2854233A1 — publié le 20041029

Procédé pour améliorer les performances d'un four de réchauffage et four mettant en oeuvre ce procédé La présente invention concerne un procédé permettant d'améliorer à la fois la capacité de production d'un four et la qualité métallurgique des produits 5 traités dans ce four, dans lequel un produit métallique de préférence plat défile dans ce four successivement à travers une zone de préchauffage du produit puis une zone de chauffage du produit dans laquelle sont disposés des moyens de chauffe. Elle se rapporte plus particulièrement au problème d'augmentation de capacité de production des lignes continues de traitement de tôles d'acier, en 10 particulier de galvanisation de tôle à chaud, ainsi que des installations de recuit continu de tôles d'acier au carbone ou d'inox. L'invention est relative également à l'amélioration de la qualité métallurgique des produits traités dans de tels procédés. Une ligne de revêtement qui assure le traitement d'une tôle d'acier en 15 continu est composée généralement: - d'une section d'entrée qui assure l'approvisionnement en bobines d'acier et qui prépare la surface de la tôle. La surface des tôles laminées à froid ou à chaud est en effet recouverte de différents types d'huile, de matières grasses ainsi que de fines ou feuillets de fer, selon les fournisseurs et les 20 nuances d'acier. Il est donc indispensable de nettoyer ces surfaces avant d'appliquer un revêtement pour assurer sa bonne adhérence sur le substrat. - d'une section de traitement qui inclut une zone de préchauffage ( mise en chauffe de la tôle), une zone de chauffe ou maintien sous atmosphère contrôlée H2/N2. Cette section permet d'assurer le recuit de la tôle généralement 25 entre 7500C et 850 OC, de détendre les contraintes résiduelles dues à l'écrouissage du métal lors de l'opération du laminage à froid, et de garantir une bonne qualité de surface - d'une section de refroidissement: pour les lignes de recuit, la tôle est refroidie en dessous de 80'C; pour les lignes de galvanisation, la tôle est 30 refroidie à une température comprise généralement entre 450 et 480OC, puis plonge dans le bain de zinc exempt de tout oxyde, fines de fer, carbone résiduel et tout autre type de particules. Ce refroidissement est généralement assuré par projection de gaz sur la tôle; - d'une section de revêtement uniquement pour les lignes de galvanisation: Cette zone de revêtement comprend le bain de métal liquide et l'essorage de revêtement, par soufflage de gaz (air comprimé ou azote - d'une section de sortie qui permet l'enroulement des bobines d'aciers après réduction d'épaisseur (appelé encore " skin-pass ") et huilage. Il est connu par exemple de l'article de A. Milani, A Saponaro, intitulé " Diluted Combustion Technologies ", IFRF Combustion Journal, Feb. 2001, et 10 de l'article de S. Kiya, T. Kojima, Y. Hyugali, Y. Hayashi (Sumitomo Metal Indsutries, Ltd) intitulé "Development of a fast annealing pickling technology for cold rolled stainless steel strips ", ATS International Steelmaking Conference, 1995, des solutions qui permettent d'augmenter la capacité de production des lignes de production de tôles d'acier par ajout de moyens de chauffe utilisant des 15 brûleurs utilisant de l'air préchauffé comme comburant (brûleurs dits " impactants " et brûleurs régénératifs, notamment). Une autre possibilité consiste à allonger la zone de four, induisant un coût d'investissement élevé et une perturbation de la production due à un arrêt prolongé de la ligne de production pour la modifier. Cependant, ces solutions ne 2 0 permettent pas d'améliorer simultanément la qualité de surface du produit traité. Les brûleurs, notamment régénératifs, fonctionnant à l'air, même préchauffé, installés dans la zone de préchauffe ont une efficacité de transfert de chaleur à la tôle d'acier qui est moins élevée que celle des brûleurs selon l'invention et ces brûleurs à l'aime contribuent pas à l'amélioration de la qualité 25 de surface: les volumes de fumées, les transferts thermiques et les vitesses mis en jeu ne permettent pas un nettoyage de la tôle satisfaisant (effets mécanique et thermique insuffisants). Pour les fours à flammes nues, les tôles rentrent généralement directement dans le four de préchauffage sans passer par une unité de 30 préparation de surface. Le nettoyage des tôles est principalement assuré par pyrolyse des graisses dans le four de préchauffage. Cependant, cette pyrolyse n'est pas suffisamment efficace pour éliminer le carbone résiduel et les fines de fer qui sont incrustées dans la tôle. Ces éléments sont préjudiciables à la fois à la durée de vie des rouleaux dans le four et également à la qualité de surface des tôles, ce qui affecte sa mouillabilité par le zinc liquide et la qualité métallurgique de ladite tôle. Afin de répondre au problème posé, l'invention consiste à installer au moins un brûleur oxy-combustible dans la zone de préchauffage du four, la distance entre l'axe de la flamme à la sortie du brûleur oxy-combustible et le plan dans lequel défile ledit produit dans le four est comprise entre 2 D et 6 D, de préférence entre 2,5 D et 5 D, D étant le diamètre équivalent de l'orifice 10 équivalent dudit oxy-brûleur Le terme oxybrûleur (ou brûleur oxy-combustible) désigne tout moyen de chauffe à feu direct utilisant un comburant contenant plus de 21% d'oxygène, et préférentiellement plus de 30% d'oxygène. Ces nouveaux moyens de chauffe viennent en complément des brûleurs à feu direct ou radiants existant dans les zone de préchauffe des lignes continues pré-citées. Le terme diamètre D de l'orifice équivalent du brûleur a la signification suivante: - dans le cas de brûleurs à injections coaxiales de comburant et de combustible, le diamètre D se définit comme étant le diamètre du plus grand des deux conduits d'injection de combustible et de comburant disposés 20 coaxialement; - dans le cas de brûleurs à jets séparés (au moins un jet de comburant et un jet de combustible, séparés les uns des autres), ce diamètre D se définit par la formule suivante: D = loith + Ipar/5 o loth est la distance maximale entre les orifices des jets de combustible et comburant selon une direction perpendiculaire à la surface de la tôle et Ipar la distance maximale entre les orifices de combustible et de comburant dans la direction parallèle à la tôle. La première conséquence de l'utilisation du procédé selon l'invention est 30 une augmentation de la capacité de production de la ligne par un transfert thermique plus efficace dans la zone de préchauffage. Toutes choses égales par ailleurs, la vitesse de la bande peut ainsi être augmentée (à condition que tous les autres équipements de la ligne ne deviennent pas des goulots d'étranglement). La deuxième conséquence de l'invention est l'amélioration de la qualité de surface de la tôle conduisant à un meilleur accrochage du zinc et une diminution des défauts de revêtement. Les coûts d'exploitation liés au changement de rouleaux détériorés par les fines de fer résiduelles ou au 5 changement des solutions de soude, voire les coûts d'investissement des modules de dégraissage peuvent aussi être diminués. L'avantage principal de l'invention réside à la fois en une augmentation de capacité de production et en l'amélioration de la qualité de surface de la tôle, résultat qui n'est atteint ni par l'ajout de brûleurs utilisant l'air comme comburant 10 en zone de préchauffe, ce qui permettrait seulement d'augmenter la capacité de production de la ligne, ni par des unités de dégraissage assurant seulement le nettoyage des tôles, ce double résultat étant directement la conséquence de l'utilisation de brûleurs oxy-combustible en entrée de four. L'invention permet d'obtenir ce double résultat à un moindre coût. On a constaté en effet un meilleur transfert thermique (plus efficace) de la chaleur des brûleurs à la tôle d'acier, car le meilleur rendement thermique des oxy-brûleurs permet de rapprocher la zone de flamme desdits brûleurs de la surface de la tôle. Cette efficacité accrue par rapport à la combustion à l'air est d'autant plus marquée que l'émissivité globale de la tôle est faible, c'est à dire 20 que la surface de la tôle a un aspect plus réfléchissant. Le fait de pouvoir rapprocher la flamme de la tôle permet aussi d'utiliser l'effet mécanique de la flamme qui agit comme un jet gazeux et permet d'évacuer de façon homogène les fines de fer, le carbone résiduel et une grande partie des impuretés déposées à la surface de la tôle, provenant des opérations 25 précédentes et notamment du laminage à chaud, à froid et du stockage. Pour obtenir outre cet effet thermique amélioré de la flamme oxy-combustible, mais également cet effet mécanique, on disposera de préférence au moins un des brûleurs oxy-combustibles utilisés à une distance comprise entre environ 2,5 D et 5 D, distance mesurée entre l'axe de la flamme, à la sortie du brûleur et la 30 surface de la tôle à traiter. (Il est à noter que la flamme n'impacte pas le produit à traiter et reste donc parallèle à la surface de la tôle, afin de limiter, voire d'améliorer le phénomène d'oxydation métallique en surface par rapport à l'art antérieur.) De plus, le niveau élevé de densité de flux thermique de la flamme permet de fluidifier les graisses existantes sur la tôle, améliorant ainsi l'efficacité de la pyrolyse des graisses dans les zones suivantes (préchauffage essentiellement). Selon l'invention, on augmente la capacité de production et on améliore la qualité de surface, et par conséquent on diminue le taux de rebut. On obtient ainsi une surface exempte de fines de fer et de carbone résiduel, à mouillabilité améliorée, sans investir dans une unité de dégraissage. A mouillabilité constante, l'invention permet également de diminuer la température du bain de zinc de quelques degrés, entraînant ainsi des économies d'énergies électriques consommées par le creuset à induction contenant le 10 zinc liquide. De préférence, la flamme du brûleur oxy-combustible comporte plus de 12 % vol. de C02 et plus de 22 % vol. de vapeur d'eau. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: - la figure 1 la vue en coupe longitudinale de la zone de préchauffage d'un four, - la figure 2 une vue de dessus du four de la figure 1, - la figure 3 un détail d'installation selon l'invention. Sur la Figure 1 est représentée en coupe longitudinale la zone de préchauffage d'une ligne continue horizontale de traitement de tôle d'acier 1 modifiée selon 20 l'invention. Les moyens de chauffage installés selon l'art antérieur sont composés de brûleurs 2 air/combustible fonctionnant à l'air préchauffé ou non (le principe de fonctionnement reste inchangé si les moyens de chauffage principaux sont constitués de tubes radiants). Grâce aux rouleaux d'entraînement 3 généralement refroidis à l'eau, la bande 25 métallique 1 circule de la zone d'entrée 8 vers la zone de maintien 9, dans laquelle la température de surface atteindra sa valeur maximum. En sortie de la zone de préchauffage 4, la température superficielle de la tôle atteint typiquement une valeur supérieure à 6500C, préférentiellement entre 7500C et 850'C. Les gaz de combustion 10 circulent en sens inverse de la tôle 1 et sont évacués du four par un conduit 30 d'extraction 5. L'invention consiste à ajouter un ou plusieurs oxy-brûleurs 7 dans la zone d'entrée 8 du four fonctionnant avec un comburant dont le taux d'oxygène est supérieur à 21 %, et préférentiellement supérieur à 30 %. Sur la Figure 2, un schéma de la même zone de préchauffage 8, 9 en vue de dessus est représenté. Les oxy-brûleurs 7 sont installés sur les parois latérales de la zone de récupération des fumées, de telle sorte qu'ils sont les premiers moyens de chauffage " vus " par la tôle 1 en entrant dans le four. La 5 puissance unitaire de chaque brûleur est fonction de la largeur du four 6 et de la densité de flux admissible par la tôle et les réfractaires qui composent la paroi, l'homme de l'art sachant déterminer correctement ces paramètres. Le nombre de brûleurs à installer, c'est-à-dire la puissance additionnelle apportée par oxy-combustion, dépend de l'augmentation de capacité 10 recherchée. Par exemple, l'installation de 4 oxy-brûleurs de 300 kW fonctionnant à l'oxygène pur et au gaz naturel, représentant donc 1200 kW de puissance additionnelle, soit 12 % de la puissance de chauffe air/combustible déjà installée, permet une augmentation de 10% à 20% de la vitesse de défilement de bande métallique en fonction des produits traités, toutes choses égales par 15 ailleurs. La meilleure efficacité thermique d'un brûleur oxy-combustible est directement liée à la production, par l'oxy-brûleur, de gaz de combustion très chauds, riches en vapeur d'eau et dioxyde de carbone, puisque dépourvus d'azote. Par conséquent, les oxy-flammes se caractérisent en ce que, dans un 20 four, le taux de transfert de puissance directement des gaz vers le produit est supérieur à celui d'une flamme à l'air pour laquelle l'essentiel de la puissance dégagée par la combustion sert principalement à réchauffer la voûte du four avant de rayonner vers le produit. Cette constatation permet de placer les oxybrûleurs très près de la surface de la tôle 1 sans affecter le rendement 25 énergétique de la zone, ce qui permet de bénéficier alors d'un effet mécanique du brûleur, comme expliqué ci-après. La Figure 3 montre une configuration typique de positionnement d'un oxybrûleur 7 par rapport à la tôle. Les brûleurs sont placés d'un côté ou de l'autre de la tôle 1, et préférentiellement des deux côtés de la bande métallique 1. Le positionnement du brûleur par rapport à la tôle et l'impulsion de la flamme, liée à la vitesse moyenne dans la section de sortie du brûleur 2, permettent non seulement d'atteindre l'effet de transfert énergétique désiré, mais débarrasse la tôle d'une grande partie de ses poussières et autres impuretés superficielles par l'action mécanique du jet et l'effet de choc thermique engendré par la densité élevée de flux radiatif. Si D est le diamètre équivalent de l'orifice de l'oxy-brûleur 15, l'effet maximal est obtenu pour une hauteur h 16 par rapport à la tôle comprise entre 2 D et 6 D et préférentiellement entre 2,5 D et 5 D (h est 5 défini comme étant la distance entre l'axe de la flamme à la sortie du brûleur et le plan d'avance de la tôle). Si la vitesse du fluide Vfuide (qui sort du brûleur) est définie par: Vfluide =Mfuel VfJel + MOY VX0Y M fuel + MOXY o Mfuel et Moxy sont, pour un brûleur, les débits massiques de combustible et 10 d'oxydant respectivement, Vfluide doit être comprise entre 15 m/s et 100 m/s et préférentiellement entre 25 m/s et 70 mis. Selon une variante de l'invention, l'effet mécanique des brûleurs peut être complété par l'injection d'air comprimé (de pression comprise entre 5 et 20 x 105 Pascal), parallèlement à la direction de la flamme oxycombustible en direction 15 du métal. Exemple: Les figures 1 à 3 illustrent un exemple de réalisation de l'invention dans la zone 20 de préchauffe d'une ligne continue de galvanisation à chaud. Initialement, la zone de préchauffe est équipée de brûleurs à l'air préchauffé délivrant une puissance totale de chauffed'environ 9 MW. Cette zone permet de porter la surface de la tôle de la température ambiante à environ 840'C. Le débit maximum de métal est de 42 T/h Selon l'invention, on ajoute quatre oxy-brûleurs de 300 kW, ayant chacun un diamètre équivalent D de 60 mm,à l'entrée du four On constate une augmentation de la vitesse de défilement de la bande 30 (toutes choses égales par ailleurs), et donc de la production de 12% pour ces mêmes tôles, portant la capacité maximum du four de 42 T/h à 47 T/h. Cette augmentation de production est de 15% à 20% par rapport à l'état initial pour les tôles plus fines, plus réfléchissantes et qui correspondent initialement à des capacités de production moindres. De plus, l'effet obtenu constaté à la sortie du four est une suppression des 5 fines de fer sur la plupart des tôles traitées améliorant ainsi la mouillabilité de la tôle par le zinc. Après plusieurs mois de production avec les oxy-brûleurs en fonctionnement, le taux de rebut du four a diminué d'environ 2% par rapport à l'état antérieur, illustrant l'effet de l'invention sur la qualité de surface des tôles 10 traitées. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant d'améliorer à la fois la capacité de production 5 d'un four (6) et la qualité métallurgique des produits traités dans ce four dans lequel un produit métallique (1) de préférence plat défile dans ce four successivement à travers une zone de réchauffage (8) du produit (1) puis une zone de chauffage (9) du produit dans laquelle sont disposés des moyens de chauffage, caractérisé en ce que l'on dispose au moins un brûleur oxy10 combustible dans la zone de préchauffage (4) du four, la distance entre l'axe de la flamme à la sortie du brûleur oxy-combustible et le plan dans lequel défile ledit produit dans le four (6) est comprise entre 2 D et 6 D, de préférence entre 2,5 D et 5 D, D étant le diamètre de l'orifice équivalent dudit oxy-brûleur (7), le terme diamètre D de l'orifice équivalent du brûleur ayant la signification suivante: - dans le cas de brûleurs à injections coaxiales de comburant et de combustible, le diamètre D se définit comme étant le diamètre du plus grand des deux conduits d'injection de combustible et de comburant disposés coaxialement; - dans le cas de brûleurs à jets séparés (au moins un jet de comburant et 20 un jet de combustible, séparés les uns des autres), ce diamètre D se définit par la formule suivante: D = lorth + lpar/5 o lorth est la distance maximale entre les orifices des jets de combustible et comburant selon une direction perpendiculaire à la surface de la tôle (1) et Iparla 25 distance maximale entre les orifices de combustible et de comburant dans la direction parallèle à la tôle (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de sortie des fluides de l'orifice principal du brûleur (2) est comprise entre 15 m/s et m/s, de préférence entre 25 m/s et 70 m/s. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le comburant utilisé dans le brûleur oxy-combustible (2) comporte plus de 21 % vol. d'oxygène, de préférence plus de 30 % vol. d'oxygène. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que plusieurs brûleurs oxy-combustible sont installés dans la zone de préchauffage (4) du four (6), du même côté des produits, préférentiellement des deux côtés du produit (1). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la flamme du brûleur oxy-combustible comporte plus de 12 % vol. de CO2 et plus de 22 % vol. de vapeur d'eau. 6. Four de réchauffage comportant une zone de préchauffage et au moins une zone de chauffage, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un 10 brûleur oxy-combustible dans la zone de préchauffage (4), la distance entre l'axe de la flamme à la sortie du brûleur oxy-combustible et le plan dans lequel le produit (1) à traiter doit circuler dans le four (6) est comprise entre 2 D et 6 D, de préférence 2,5 D et 5 D, D étant le diamètre de l'orifice équivalent dudit oxybrûleur (7).