Brevet FR2917817A1 — publié le 20081226

DISPOSITIF PERMETTANT DE LIMITER L'ECHAPPEMENT DE FUMEES DE COMBUSTION A L'ENTREE D'UN FOUR DE RECHAUFFAGE DE PRODUITS SIDERURGIQUES La présente invention concerne un dispositif permettant de limiter l'échappement de fumées de combustion vers l'extérieur d'un four continu de réchauffage de produits sidérurgiques et en particulier de brames, notamment d'un four tunnel, au niveau de l'ouverture située à l'entrée du four. Un four tunnel a généralement son entrée ouverte en permanence pour permettre le défilement des produits en provenance par exemple de la coulée continue située en amont dans le processus d'élaboration de produits plats. La section d'entrée du four est réduite au minimum pour limiter l'échappement des fumées et le rayonnement thermique vers l'extérieur du four. Néanmoins, cela ne permet pas, selon l'état de la technique, d'éviter l'échappement des fumées par l'ouverture du four. Ce phénomène néfaste est directement lié à la surpression existante dans la première zone de chauffe du four, le carneau habituellement situé en zone d'homogénéisation ne permettant pas de tirer suffisamment de fumées. Cela engendre une dégradation des parois du four au niveau de l'enfournement et pose des problèmes aux équipements situés dans la halle au voisinage et au-dessus du four. Un exemple de début de four tunnel est représenté en Fig.l des dessins annexés. Le sens de défilement des produits à réchauffer est indiqué par les flèches placées aux deux extrémités de la partie du four représentée. A partir de l'entrée des produits, sont représentées trois zones successives de chauffage, la, lb, 1c, suivies de deux zones d'homogénéisation 1d et le. Une cheminée 3 permet l'extraction des fumées de combustion. En se reportant à la Fig. 2 des dessins annexés, on peut voir plus en détail la première zone de chauffage la du four tunnel de la Fig.l. Le chauffage du four est assuré par des brûleurs 2 placés sur les parois latérales du four, en-dessous et au-dessus des produits à réchauffer. Le sens de défilement des produits à réchauffer est également indiqué par les flèches placées aux deux extrémités de la zone de chauffage. Les brûleurs sont placés en quinconce ; pour un brûleur situé en-dessous du produit sur une face du four, sur la face opposée et pour la même distance depuis l'entrée du four, le brûleur se trouve au-dessus du produit. La cheminée 3 pour l'évacuation des fumées de combustion produites par les brûleurs est dans cet exemple placée dans la deuxième zone d'égalisation le. En se reportant à la Fig. 3, on peut voir une courbe montrant la variation de la pression dans le four pour l'exemple de réalisation de Fig.2. La longueur du four est indiquée en abscisse depuis l'entrée, abscisse 0 mètre, jusqu'à la fin de la seconde zone d'égalisation correspondant à l'abscisse 110 mètres. La pression dans le four est indiquée en ordonnée, la valeur zéro correspond à la pression atmosphérique régnant à l'extérieur du four, une pression positive de 5 Pa (pascals) est une pression dans le four supérieure de 5 Pa à la pression à l'extérieur du four, une pression négative de 5 Pa est une pression dans le four inférieure de 5 Pa à la pression à l'extérieur du four. On constate en Fig. 3 que la pression relative à l'entrée du four est d'environ 8 Pa. Celle-ci provoque l'échappement des fumées à l'extérieur du four. De plus, on constate également en Fig. 3 que la dépression en seconde partie du four est relativement importante, de l'ordre de -25 Pa, ce qui peut entraîner une rentrée de fumées issues des zones situées en aval. La différence de pression entre l'enfournement et la seconde partie du four atteint 30 Pa. Plusieurs solutions ont déjà été mises en oeuvre sur les fours tunnel sans pour autant supprimer complètement l'échappement des fumées. L'une des solutions mise en oeuvre selon l'état de la technique consiste à améliorer le tirage des fumées par une augmentation des dimensions des carneaux. Une autre solution selon l'état de la technique consiste en l'ajout d'un second tirage des fumées en entrée de four. La Fig. 4 représente un exemple de réalisation de ce type, le second tirage des fumées en entrée de four portant le repère 4. Pour cet exemple de réalisation, la pression dans le four varie depuis l'entrée du four selon la Fig. 5. On constate que l'ajout d'un second tirage des fumées en entrée de four permet d'obtenir une pression plus uniforme sur la longueur du four, avec une différence de pression entre l'enfournement et le reste du four limitée à environ 15 Pa du fait que la pression est remontée dans la seconde partie du four pour atteindre une valeur de -10 Pa. Cependant, la surpression à l'entrée du four tunnel n'a pas été atténuée et le risque d'échappement des fumées persiste. Par ailleurs, l'ajout de ce second tirage des fumées en entrée de four entraîne un surcoût important du fait de cet équipement supplémentaire. Une autre solution selon l'état de la technique consiste à rapprocher la première rangée de brûleurs de l'entrée du four. Une variante de cette configuration représentée en Fig. 6 et en Fig. 7 consiste à placer deux brûleurs 2a1,2b1; 2c1,2d1 sur chaque face du four, en-dessous et au-dessus du produit à réchauffer de manière à avoir deux paires de brûleurs en vis-à-vis. Deux brûleurs 2a1 et 2b1 sont placés sur l'un des côtés du four à une même distance de l'entrée du four, le brûleur 2a1 est placé en partie supérieure, le brûleur 2b1 est placé en partie inférieure. Deux autres brûleurs 2c1, 2d1 sont placés sur le côté opposé du four et en vis à vis. Le brûleur 2c1 se trouve face au brûleur 2a1, le brûleur 2d1 se trouve face au brûleur 2b1. En se reportant à la Fig. 7 ont peut voir la coupe transversale du four représentée en Fig.6 au niveau des premiers brûleurs. Les brûleurs 2a1 et 2c1 sont au-dessus des produits à réchauffer à une même hauteur H1, les brûleurs 2b1 et 2d1 sont placés en-dessous des produits à réchauffer à une même hauteur H2. Pour cet exemple de réalisation des Fig.6 et 7, la pression dans le four varie depuis l'entrée du four selon la Fig. 8. On constate que cette configuration permet de limiter la pression à l'entrée du four à environ 2 Pa. De plus, l'écart de pression entre l'enfournement et la seconde partie du four reste limité à environ 17 Pa avec une dépression dans la seconde partie du four autour de -15 Pa. Cependant, la pression est négative tout au long du four, notamment juste après l'entrée, ce qui peut engendrer des entrées d'air dans le four. Celles-ci auraient pour effet d'augmenter la consommation énergétique du four et de modifier la teneur en oxygène en entrée de four ce qui pourrait conduire à une augmentation de l'oxydation des produits à réchauffer. Comme exposé précédemment, les solutions mises en oeuvre selon l'état de la technique ne donnent pas pleinement satisfaction. Pour apporter une solution à ce problème, l'invention consiste principalement en un dispositif qui permet de limiter l'échappement de fumées de combustion vers l'extérieur d'un four continu de réchauffage de produits sidérurgiques et en particulier de brames, notamment d'un four tunnel, au niveau de l'ouverture située à l'entrée du four, et qui est caractérisé en ce que la première rangée de brûleurs est composée d'au moins une paire de brûleurs placés au-dessus des produits à réchauffer en vis à vis à une même distance de l'entrée du four et à proximité de l'entrée du four, et en ce que les brûleurs de la première rangée de brûleurs sont inclinés principalement d'un angle A vers la sortie du four, par rapport au plan transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal du four. Avantageusement, la distance de l'entrée du four à laquelle est placée la première rangée de brûleurs est comprise entre 0.3 et 1.5 m. Cette distance est de préférence inférieure à la demi-largeur intérieure du four. L'angle A d'inclinaison des brûleurs, par rapport à une direction orthogonale aux parois latérales, est avantageusement compris entre 10 et 45 degrés. La première rangée de brûleurs peut comprendre au moins quatre brûleurs 20 répartis en deux paires de deux brûleurs, l'une placée au-dessus des produits à réchauffer avec chaque brûleur à une même hauteur H1, la seconde en-dessous des produits à réchauffer avec chaque brûleur à une même hauteur H2. 25 L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : 30 Fig. 1 est un exemple de four tunnel selon l'état de la technique, Fig. 2 est un exemple d'implantation des brûleurs sur la première zone de chauffage selon l'état de la technique, Fig. 3 est une représentation graphique de la pression du four dans la longueur du four selon l'état de la technique représenté en Fig. 1 et 2, 35 Fig. 4 est un second exemple de four tunnel selon l'état de la technique comprenant un tirage supplémentaire des fumées à l'entrée du four, Fig. 5 est une représentation graphique de la pression du four dans la longueur du four selon l'état de la technique représenté en Fig. 4,15 Fig. 6 est un autre exemple d'implantation des brûleurs sur la première zone de chauffage selon l'état de la technique, Fig. 7 est une vue transversale du four selon l'état de la technique représenté en Fig. 6 au niveau de la première rangée de brûleur, Fig. 8 est une représentation graphique de la pression du four dans la longueur du four selon l'état de la technique représenté en Fig. 6 et 7, Fig. 9 est une vue de dessus de l'entrée du four selon un exemple de réalisation de l'invention, Fig. 10 est une représentation graphique de la pression du four dans la 10 longueur du four selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté en Fig. 9. Fig. 11 est une vue de face de l'entrée du four, et Fig. 12 est une représentation graphique de la pression du four dans la longueur du four selon l'exemple de réalisation de l'invention sans les brûleurs 15 inférieurs 2b et 2d. Les Fig.1 à 8 des dessins, relatives à l'état de la technique, ont été décrites précédemment. 20 En se reportant à la Fig. 9, on peut voir une vue de dessus de l'entrée d'un four selon un exemple de réalisation de l'invention. Quatre premiers brûleurs 2a, 2b, 2c et 2d , sont placés à une même distance D de l'entrée du four, à savoir deux brûleurs de chaque côté du four. Les axes des brûleurs sont inclinés d'un angle A vers la sortie du four par rapport au plan transversal perpendiculaire à l'axe 25 longitudinal du four. Deux brûleurs 2a et 2c sont situés au-dessus des produits à réchauffer et deux brûleurs 2b et 2d en-dessous des produits à réchauffer. Comme représenté en Fig. 9, la distance D entre l'entrée du four et la première rangée de brûleurs est considérée ci-après comme étant celle entre l'entrée du 30 four, c'est à dire la face extérieure de la tôlerie du four perpendiculaire à l'axe longitudinal du four, et le plan théorique transversal au four passant par l'intersection des axes des brûleurs avec la surface extérieure de la tôlerie du four. 35 L'implantation particulière de ces premiers brûleurs selon l'invention permet de créer un rideau constitué des flammes et des produits de combustion de ces brûleurs. Ce rideau fait office de barrage et permet d'éviter que l'air ambiant n'entre dans le four. L'inclinaison des brûleurs vers la sortie du four selon l'invention permet un écoulement des fumées de combustion vers la sortie du four et évite ainsi les échappements de fumées en sens opposé, par l'entrée du four. L'inclinaison des brûleurs vers la sortie du four est limitée de sorte d'éviter un appel d'air et l'entrée d'air ambiant dans le four. Les brûleurs 2 suivants restent perpendiculaires à l'axe longitudinal du four. L'ouverture 6 (Fig.11) dans le four destinée à l'entrée des produits 5 dans le four est plus importante au-dessus qu'en-dessous des produits. Les produits 10 circulant sur des rouleaux, la face inférieure des produits se trouve toujours à la même hauteur. Par contre la face supérieure des produits se trouve à une hauteur variable selon l'épaisseur des produits. De ce fait, l'ouverture dans le four peut être réduite en-dessous des produits pour éviter les sorties de fumées ou les entrées d'air, mais doit être plus importante au-dessus des produits pour 15 permettre le passage du produit le plus épais. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, du fait d'une ouverture réduite du four sous les produits à réchauffer, les deux brûleurs inférieurs 2b et 2d placés en-dessous des produits à réchauffer ne sont pas nécessaires. Dans 20 cette configuration, la puissance calorifique unitaire des brûleurs 2a et 2c peut être augmentée par rapport à une solution comprenant également les deux brûleurs inférieurs 2b et 2d de sorte de maintenir l'entrée du four à la température requise. 25 La Fig. 10 est une courbe qui montre la variation de la pression dans le four selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté en Fig. 9, avec quatre brûleurs sur la première rangée de brûleurs. La Fig. 12 est une courbe qui montre la variation de la pression dans le four selon l'autre exemple de réalisation de l'invention sans les brûleurs 2b et 2d placés en-dessous des 30 produits à réchauffer. Comme on peut le voir sur la Fig.10 correspondant à quatre brûleurs sur la première rangée de brûleurs, et sur la Fig.12 correspondant uniquement aux deux brûleurs supérieurs sur la première rangée de brûleurs, l'invention permet 35 d'obtenir une pression voisine de la pression atmosphérique à l'entrée du four évitant ainsi l'échappement des fumées à l'extérieur du four et une pression positive juste après l'entrée du four contribuant à éviter les entrées d'air à l'intérieur du four.5 La pression plus importante juste après l'entrée du four que l'on observe sur la Fig.12 par rapport à la Fig.10 est liée au fait que, dans le cas de la Fig. 12, les brûleurs supérieurs 2a et 2c ont une puissance plus importante par rapport au cas de la Fig. 10 du fait de l'absence des brûleurs inférieurs 2b et 2d. La solution retenue selon l'invention permet également de limiter la différence de pression sur la longueur du four et la dépression dans la seconde partie du four évitant ainsi l'aspiration des fumées des zones situées en aval de celle-ci. La position des brûleurs de la première rangée par rapport à l'entrée du four et par rapport aux produits à réchauffer, la puissance unitaire de ces brûleurs et l'inclinaison des brûleurs vers la sortie du four sont définis en fonction des caractéristiques géométriques du laboratoire (dimensions, position de la ou des sorties de fumées), des caractéristiques de la combustion aux brûleurs de cette première rangée et de celles des brûleurs des premières zones de chauffage (nature du combustible, facteur d'air, débits air/gaz, températures d'air et de gaz), de sorte d'obtenir l'effet escompté. Ces paramètres sont par exemple obtenus à partir d'un calcul de modélisation CFD du four résolvant les équations de la mécanique des fluides (conservation de la masse, équations de NAVIER STOKES et modélisation de la turbulence). Selon un exemple de réalisation de l'invention, pour un four d'une largeur interne de 2 m et d'une hauteur interne de 2.65 m, les brûleurs de la première rangée sont au nombre de quatre, deux brûleurs sont implantés en vis à vis sur chaque côté du four au-dessus et en-dessous des produits à réchauffer ; les brûleurs sont implantés à 0.7 m de l'entrée du four, ils ont une puissance unitaire de 620 kW, l'axe des brûleurs supérieurs se trouve à 575 mm au-dessus de l'axe transversal situé à mi-hauteur du four, l'axe des brûleurs inférieurs se trouve à 695 mm au-dessous de cet axe transversal situé à mi-hauteur du four, et l' angle A d'inclinaison des brûleurs est de 30 degrés vers la sortie du four. Selon l'invention, la distance D depuis l'entrée du four des brûleurs inclinés de la première rangée de brûleurs est, selon les dimensions du four, comprise entre 0.3 et 1.5 mètre. Cette distance ne doit pas être trop faible pour ne pas générer d'entrée d'air dans le four. Elle ne doit pas non plus être trop grande de sorte de conserver un effet de rideau efficace. Elle est par exemple égale ou inférieure à la demi-largeur intérieure du four. Selon l'invention, l'angle A d'inclinaison des brûleurs est, selon les dimensions 5 du four, compris entre 10 et 45 degrés. Selon l'exemple préféré de réalisation de l'invention, les brûleurs 2a,2b,2c,2d de la première rangée de brûleurs fonctionnent à régime fixe et à puissance nominale. La puissance de fonctionnement de ces brûleurs est ainsi maintenue 10 constante alors que celle des autres brûleurs 2 varie en fonction du besoin calorifique du four. Les brûleurs inclinés de la première rangée de brûleurs sont selon l'invention identiques à ceux situés dans la première zone de chauffage, ou peuvent être 15 d'une puissance différente. L'inclinaison des brûleurs selon l'invention est réalisée principalement vers la sortie du four. Une inclinaison des brûleurs de la première rangée vers le haut ou le bas du four telle que par exemple de quelques degrés vers le haut du four 20 pour les brûleurs de la première rangée situé au-dessus des produits et une inclinaison de quelques degrés vers le bas du four des brûleurs de la première rangée situé en-dessous des produits peut être réalisée mais n'est pas nécessaire selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de limiter l'échappement de fumées de combustion vers l'extérieur d'un four continu de réchauffage de produits sidérurgiques et en particulier de brames, notamment d'un four tunnel, au niveau de l'ouverture située à l'entrée du four, caractérisé en ce que la première rangée de brûleurs est composée d'au moins une paire de brûleurs (2a,2c) placés au-dessus des produits à réchauffer (5) en vis à vis à une même distance (D) de l'entrée du io four et à proximité de l'entrée du four et en ce que les brûleurs (2a,2c) de la première rangée de brûleurs sont inclinés principalement d'un angle A vers la sortie du four, par rapport au plan transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal du four. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (D) à laquelle est placée la première rangée de brûleurs de l'entrée du four est comprise entre 0.3 et 1.5 m. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (D) à 20 laquelle est placée la première rangée de brûleurs de l'entrée du four est inférieure à la demi-largeur intérieure du four. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle A d'inclinaison vers la sortie du four des brûleurs de la première 25 rangée de brûleurs est compris entre 10 et 45 degrés. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle A d'inclinaison vers la sortie du four des brûleurs de la première rangée de brûleurs est de 30 degrés. 30 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première rangée de brûleurs comprend au moins quatre brûleurs (2a,2b,2c,2d) répartis en deux paires de deux brûleurs, l'une (2a,2c) placée au-dessus des produits à réchauffer avec chaque brûleur à une même hauteur 35 (H1), la seconde en-dessous des produits à réchauffer avec chaque brûleur à une même hauteur (H2). 2917817 io 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les brûleurs (2a,2b,2c,2d) de la première rangée de brûleurs fonctionnent à régime fixe et à puissance nominale, la puissance de fonctionnement de ces brûleurs étant ainsi maintenue constante alors que celle des autres brûleurs (2) 5 varie en fonction du besoin calorifique du four.