Fours de réchauffage de demi-produits de laminoirs

Fours de réchauffage
de demi-produits de laminoirs
par
André REMERY
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur ECOSID
1.
Présentation générale.............................................................................
2.
2.1
2.2
Bases scientifiques ..................................................................................
Lois de la combustion .................................................................................
Lois de transfert de la chaleur ....................................................................
2.2.1 Rayonnement......................................................................................
2.2.2 Convection et écoulement des fluides..............................................
2.2.3 Transmission de la chaleur dans le métal ........................................
2.2.4 Conservation de l’énergie. Bilan thermique.....................................
—
—
—
—
—
—
—
2
2
2
2
3
3
3
3.
3.1
Aspects technologiques.........................................................................
Types de fours..............................................................................................
3.1.1 Fours de réchauffage au défilé ..........................................................
3.1.2 Fours de réchauffage pas-à-pas ........................................................
Brûleurs ........................................................................................................
Choix de la source d’énergie ......................................................................
3.3.1 L’électricité appliquée au chauffage des produits............................
3.3.2 Les combustibles gazeux et le fuel ...................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
4
4
4
4
5
5
5
5
Conduite des fours. Automatisation et données pratiques.........
Mesures ........................................................................................................
Automatisation ............................................................................................
4.2.1 Régulation générale ...........................................................................
4.2.2 Automatisation : le modèle de chauffe.............................................
Cas simple d’un four de réchauffage de billettes .....................................
Cas d’un four de réchauffage de brames ..................................................
—
—
—
—
—
—
—
7
7
7
7
7
9
9
3.2
3.3
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
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utrefois, le cycle de production de la Sidérurgie comprenait, à partir de la
coulée en lingots, toute une série de réchauffages précédant chacun une
opération de laminage et, en général, on avait une succession du type :
— réchauffage des lingots (en fours pits) ;
— laminage pour dégrossir les lingots en brames et blooms ;
— réchauffage des brames et blooms ;
— laminage en tôles, billettes (avec souvent un autre réchauffage en
amont des trains à barres, à fils, etc.).
L’essor de la coulée continue produisant directement des demi-produits
a pratiquement supprimé les fours pits qui ne seront donc pas traités dans cet
article consacré uniquement aux fours de réchauffage des demi-produits de
laminage.
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4 - 1992
A
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FOURS DE RÉCHAUFFAGE DE DEMI-PRODUITS DE LAMINOIRS
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1. Présentation générale
Les demi-produits à réchauffer avant laminage sont constitués
d’acier provenant de coulées continues ou de trains de laminoirs.
Leurs sections peuvent être carrées ou rectangulaires de
80 × 80 mm à 450 × 560 mm pour les produits longs, circulaires
jusqu’à 300 mm de diamètre pour la production de ronds ou
rectangulaires de 150 à 320 mm d’épaisseur jusqu’à 1 900 mm de
largeur pour la production de produits plats. Leur longueur peut
atteindre 12 m. À ces formats s’ajoutent maintenant des brames
minces issues de coulée continue de 35 à 50 mm d’épaisseur et de
80 m de longueur.
Il faut bien noter que l’opération de réchauffage, en dehors de son
but essentiel qui est de porter les demi-produits à la température
nécessaire au laminage, a un impact direct sur la qualité des produits et doit donc être étudiée et réalisée soigneusement en ce sens.
Précisons enfin ici qu’en sidérurgie cette opération de
réchauffage présente la double caractéristique :
— d’avoir des débits très élevés d’acier à réchauffer, de l’ordre
de 50 à plus de 500 t/h ;
— de nécessiter des consommations énergétiques importantes,
de l’ordre de 1 000 à 1 500 MJ/t de produits.
2. Bases scientifiques
2.1 Lois de la combustion
Les fours étant, en général, chauffés par des combustibles
fossiles (bien qu’il existe un certain nombre de fours à chauffage
électrique), il faut rappeler les lois de la combustion des divers types
de combustibles qui sont disponibles dans une usine sidérurgique.
On en trouvera les principaux éléments au tableau 1 pour les quatre
principaux gaz :
(0)
—
—
—
—
gaz de haut fourneau
 qui sont les gaz résiduaires et
gaz d’aciérie à l’oxygène  excédentaires des trois opérations
 métallurgiques correspondantes ;
gaz de fours à coke
gaz naturel.
L’examen de ce tableau montre bien les difficultés que présente
l’emploi du gaz de haut fourneau ; néanmoins, on peut utiliser ce
gaz :
— grâce au préchauffage de l’air ;
— ou avec une suroxygénation de cet air ;
— ou enfin bien sûr en mélange avec des gaz plus riches.
2.2 Lois de transfert de la chaleur
2.2.1 Rayonnement
Le flux thermique est proportionnel au pouvoir émissif des surfaces en présence et à la puissance quatrième de leur température
absolue. Les échanges thermiques se font entre flamme, charge,
parois et gaz brûlés. La surface des flammes étant relativement
faible, une part importante des échanges sera due au rayonnement
des gaz brûlés.
Le rayonnement des flammes visibles à l’œil est influencé par des
particules solides rendant les flammes éclairantes. Mais il ne faut
pas perdre de vue que la qualité de la combustion sera d’autant plus
élevée que la flamme sera moins visible, c’est-à-dire lorsque la part
du rayonnement à haute température sort du domaine visible.
(0)
Tableau 1 – Données de base de la combustion des quatre principaux gaz utilisés en sidérurgie
pour le réchauffage des demi-produits
Type de gaz
Caractéristiques
Composition :
H2 ................................................................................................................. (%)
CH4............................................................................................................... (%)
CnHm ............................................................................................................ (%)
(n > 1)
CO ................................................................................................................ (%)
CO2 .............................................................................................................. (%)
N2 ................................................................................................................. (%)
Gaz de haut
fourneau
Gaz d’aciérie
à l’oxygène
2,0
2,0
...................... .............................
...................... .............................
23,2
16,9
57,9
Gaz de fours
à coke
Gaz naturel
61,7
25,0
3,0
92,3
4,3
81,0
6,0
11,0
7,0
2,0
1,3
0,4
3,0
Pouvoir calorifique inférieur (PCI) (1) ............................................ (MJ/Nm3)
3,14
10,5
18,4
Pouvoir comburivore (1) (2) ............................................ (Nm3 air/Nm3 gaz)
0,6
2,0
4,5
9,6
Pouvoir fumigène humide (2) ....................................... (m3 fumées/m3 gaz)
1,5
2,7
5,2
10,8
Température théorique de la flamme :
air à 15 oC................................................................................................... (oC)
air à 600 oC................................................................................................. (oC)
1 290
1 600
2 030
2 500
2 000
2 490
1 950
2 420
(1) Nm3 (normomètre cube) volume en mètres cubes mesurés dans les conditions normales de température et de pression (0 oC, 1,013 bar).
(2) À la stœchiométrie.
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2.2.2 Convection et écoulement des fluides
Dans les grands fours, les vitesses des gaz sont inférieures à
15 m/s et le rôle direct de la convection est faible devant celui du
rayonnement. Les écoulements gazeux par contre sont fondamentaux. La maîtrise de la mesure des débits et de l’analyse des gaz
permet d’obtenir la répartition désirée de flux thermique. On conçoit
tout de suite l’influence de l’allure du four sur cette répartition et
l’importance majeure de l’aérodynamique dans la conception des
fours.
2.2.3 Transmission de la chaleur dans le métal
La chaleur massique vraie du métal en fonction du niveau de
température doit être prise en considération sans oublier les énergies nécessaires aux changements de structure aux points de transformation du métal. La conductivité thermique varie également
avec la température. Ces deux paramètres sont pris en compte par
la diffusivité thermique.
Le tableau 2 illustre les variations importantes que l’on constate,
par nuance et en fonction de la température, même si au-delà de
1 000 oC les écarts sont plus faibles entre les nuances.
Les conséquences en sont des limites physiques au transfert de
la chaleur dans le métal. Ces limites dépendent du produit chauffé
et de la température atteinte. Il en résulte des durées de séjour du
métal dans le four incompressibles et nécessaires à assurer
l’homogénéité thermique que l’on s’est fixée. Insistons sur le fait
que ces limites dépendent des nuances d’acier.
2.2.4 Conservation de l’énergie. Bilan thermique
Les bilans s’illustrent par des schémas où apparaissent :
— les entrées : chaleurs sensibles et latentes (gaz, air, métal) ;
— les sorties : chaleur utile (métal), chaleur récupérée, chaleur
perdue.
On en trouvera un exemple (figure 1), pour un four à réchauffer
les brames.
Un bilan partiel pourra être le bilan de la récupération de
l’enthalpie des fumées en vue du réchauffage de l’air de
combustion. On en trouvera un exemple sur la figure 2.
Figure 1 – Bilan thermique d’un four à brames
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3. Aspects technologiques
3.1 Types de fours
3.1.1 Fours de réchauffage au défilé
■ Réchauffage par induction : des inducteurs solénoïdes sont
placés entre les rouleaux qui supportent et transfèrent le produit de
la coulée continue vers le laminoir.
Les temps de séjour sont généralement très courts, de l’ordre de
quelques minutes, ce qui conduit à des hétérogénéités de température du produit.
Ce mode de chauffage est réservé aux seuls produits qui ne
requièrent pas une grande homogénéité de température pour leur
laminage. Dans le cas contraire, une zone d’homogénéisation doit
être prévue entre la zone comportant les inducteurs et le laminoir.
Cette zone, non chauffée, de maintien en température, permet de
bien répartir les températures de façon homogène dans toute la
masse du produit.
Figure 2 – Bilan du récupérateur du four de la figure 1
(0)
Tableau 2 – Coefficient de diffusivité thermique
(en m2/h, avec 1 m2/h ≈ 2,78 × 10–4 m2/s)
en fonction des nuances d’acier et de la température
Type d’acier
Température
(oC)
0
700
1 200
Acier
Acier ferritique
à 0,23 % Cr
14 % Cr
0,047
0,010
0,020
0,025
0,013
0,021
Acier austénitique
18 % Cr-8 % Ni
0,015
0,019
0,020
Le rendement du four apparaît sur le bilan de la figure 1. Ce
rendement sera en relation avec l’investissement dimensionnel du
four et des récupérateurs, et fonction de la part respective de
chaque sous-ensemble. C’est une considération économique qui
fixera le rendement pratique souhaité. En premier lieu, le rendement est amélioré en augmentant les dimensions du four et des
récupérateurs. En second lieu, les récupérateurs ont l’avantage de
recycler l’enthalpie des fumées en sortie de four, à un coût d’investissement généralement inférieur à celui du four rapporté au mégajoule. Ils permettent aussi d’augmenter la température de flamme
du four par le préchauffage de l’air.
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■ Fours à rouleaux : le produit est transféré par une table à
rouleaux de la coulée continue vers le laminoir, en continu, au
travers d’un four à rouleaux qui comporte :
— une zone dite de chauffage dans laquelle la température
moyenne du métal visée est celle requise pour le laminage ; le transfert thermique est du type rayonnement/convection, l’énergie est
fournie à l’enceinte grâce à des brûleurs à combustibles liquides ou
gazeux ; de leur implantation et de l’impulsion de la flamme dépend
en grande partie l’homogénéité du transfert thermique ;
— une zone dite d’homogénéisation où la température du
produit tend à s’homogénéiser par conduction, au cours de son
passage.
Compte tenu des vitesses de passage des produits, circulant entre
1 et 30 m · min–1, la difficulté majeure se situe au niveau de la saisie
de la température des produits à l’entrée du four et de la gestion
des débits de combustible dans chaque zone du four de façon à
assurer des températures homogènes et constantes à l’entrée du
laminoir.
Pour tenir compte des arrêts accidentels du laminoir, des moyens
complémentaires de manutention et de stockage des produits
doivent être prévus.
3.1.2 Fours de réchauffage pas-à-pas
Le four à longerons s’est imposé, par sa flexibilité et les possibilités de contrôle des profils de température, comme le moyen le
plus approprié pour le réchauffage des produits plats et des
produits longs.
■ Chauffage supérieur seul ou supérieur/inférieur : les échanges
thermiques entre l’enceinte et les produits sont essentiellement de
type radiatif. Le flux thermique transféré par zone, qui induit la
vitesse de réchauffage et d’homogénéisation des produits, cela
pour une même température relative des surfaces en regard,
dépendra des surfaces de produit exposées au rayonnement. Dans
un four à chauffage supérieur, la montée en température de la
demi-épaisseur inférieure sera plus lente que celle correspondant à
la face soumise au rayonnement.
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■ Nombre de zones : le four est subdivisé en volumes ou zones
distinctes. Dans chaque zone, l’ensemble des brûleurs est géré en
parallèle en fonction d’une consigne de température ou de débit de
combustible, dont le but est de maintenir un certain écart entre la
température de rayonnement des parois et celle du produit. Le
contrôle de la courbe de réchauffage ainsi que des profils transversal et longitudinal de température du produit est d’autant plus
aisé que le nombre de zones est important, mais le coût de la
régulation croît évidemment dans les mêmes proportions.
■ Types et implantations des brûleurs : l’homogénéité des transferts résulte de la maîtrise des températures des parois rayonnantes
et donc de celle des circulations des fumées chaudes dans chaque
zone, ainsi que du contrôle des distributions axiale et longitudinale
des flux thermiques générés par les brûleurs. Selon les zones, le
choix se fait entre :
— les brûleurs à flamme plate : les gaz en cours de combustion
restent proches de la paroi, ce qui conduit à une bonne maîtrise de
la température de la voûte donc de son rayonnement en tout point
et pour tout niveau de production ;
— les brûleurs frontaux dont la flamme est orientée parallèlement au grand axe du four : cette disposition permet de différencier
droite, gauche et centre du four en fonction du chargement ; la
gestion du profil de flamme assure une courbe de chauffe régulière ;
— les brûleurs latéraux dont la flamme se développe perpendiculairement à l’axe du four : ces brûleurs, grâce à leur impulsion et
à la maîtrise du profil thermique de la flamme, assurent un bon
brassage des fumées de la zone et permettent de corriger les écarts
de température entre le centre et les rives du produit si la largeur
du four n’est pas disproportionnée par rapport à la longueur de
flamme.
3.2 Brûleurs
Nous ne développerons pas ici la théorie des flammes, qui rend
compte encore imparfaitement des phénomènes réels. En effet,
seuls les cas d’écoulement simples peuvent être modélisés. Aussi
la caractérisation d’un brûleur ne peut s’effectuer qu’expérimentalement.
Citons comme particularité les brûleurs de voûte qui, en tapissant
uniformément une voûte, peuvent aisément assurer un flux thermique supérieur uniforme.
Ces dernières années, de nouveaux brûleurs latéraux (ou
frontaux) à réglage de longueur de flamme ont été mis au point. Ils
permettent une meilleure maîtrise de la localisation du chauffage.
Dans certains cas, on peut aujourd’hui envisager la construction de
fours équipés uniquement de brûleurs latéraux, solution favorable
sur le plan économique ; elle ne s’adresse d’ailleurs qu’aux fours
de largeur limitée.
Les critères à exiger pour les brûleurs sont la stabilité de la
flamme, la souplesse en puissance du brûleur, les possibilités de
réglage longitudinal du flux thermique, la possibilité d’utiliser
différents combustibles et une combustion parfaite à toutes les
allures avec des facteurs d’air voisins de la stœchiométrie. Le type
des brûleurs, leur disposition, ainsi que leur regroupement sur le
plan de la conduite résulteront de la prise en compte des contraintes
de définition du four.
Le choix des brûleurs est essentiel. Ainsi, même sur des fours
existants, l’évolution récente des technologies des brûleurs permet
une amélioration de performances tant sur le plan de la productivité
que pour l’homogénéité des températures de réchauffage et le
respect de l’environnement.
Dans cet ordre d’idées, on peut citer l’amélioration de rendement
offerte par des brûleurs régénératifs, mise à profit lorsqu’un four
est équipé de régénérateurs insuffisants. Ces brûleurs, associés
deux à deux, sont équipés de bouteilles contenant des billes en
réfractaires, alternativement traversées par les fumées puis par
l’air de combustion.
3.3 Choix de la source d’énergie
Les fours de laminage sont, le plus généralement, alimentés en
gaz à haute température de flamme (gaz naturel, gaz d’aciérie ou
de cokerie) ou en fuel lourd.
L’électricité peut également remplir ce rôle de chauffe à haute
température. Elle offre, pour certains types de chauffage, des avantages indéniables, mais son application est limitée par les aspects
économiques.
3.3.1 L’électricité appliquée au chauffage
des produits
Sur le plan économique, le chauffage électrique se distingue des
autres énergies par les aspects suivants :
— coût de l’électricité : il est caractérisé par une prime fixe importante et par une forte saisonnalité des prix ; les faibles taux de
charge sont ainsi pénalisés et, pour bénéficier de tarifs avantageux,
il est nécessaire d’adapter la programmation des fabrications à la
tarification de l’électricité ;
— coût d'investissement : en plus de l’équipement de chauffe, les
investissements d’alimentation, comprenant les lignes électriques
et les transformateurs, sont importants.
Pratiquement, ce chauffage peut être réalisé suivant les deux
méthodes suivantes :
■ fours à résistances électriques : des nappes de résistances
assurent le chauffage par rayonnement ; le rendement thermique
est excellent grâce à l’absence de fumées ; sur le plan métallurgique, le contrôle de l’atmosphère du four est facilité, par contre
l’homogénéité de chauffe propre aux fours où circulent des fumées
est ici un point délicat ;
■ fours à induction : ce type de chauffage effectué directement
dans la masse du produit réduit les contraintes de transfert thermique dues à la diffusivité du métal ; il se caractérise aussi par une
vitesse de chauffe importante qui est un facteur favorable pour
réduire les pertes par oxydation ; il permet de prendre en compte les
transitoires, c’est-à-dire les changements du programme de fabrication.
Les points délicats à contrôler sont l’adaptation des inducteurs au
profil du produit, ainsi que l’adaptation de la fréquence au profil et
à la température, en tenant compte de l’influence du point de Curie.
Une chauffe trop rapide peut être une source de tensions internes
dans le métal qu’il faudra ensuite éliminer.
Le rendement thermique global est amputé des pertes par effet
Joule dans les inducteurs.
3.3.2 Les combustibles gazeux et le fuel
Un grand nombre de fours de grande capacité sont implantés
dans les usines sidérurgiques de la filière fonte, qui disposent de
quantités importantes de gaz restituées par les procédés sidérurgiques. La priorité d’utilisation sera donc en général donnée aux
gaz excédentaires : gaz de haut fourneau, gaz de fours à coke et gaz
d’aciérie. Le choix économique se portera sur les gaz à haute
température de flamme. On pourra certes, pour des questions de
commodité de distribution énergétique, constituer des réseaux de
gaz mixtes comprenant du gaz de haut fourneau en mélange avec
du gaz de cokerie ou d’aciérie, voire du gaz naturel ; mais la variation de composition de ces gaz, que ce soit à pouvoir calorifique ou
à indice de Wobbe (articles Moteurs à gaz. Êtat de l’art [BM 2 590]
et Combustibles gazeux. Utilisation et combustibilité des gaz
[A 1 750]) constant, conduit à des réglages difficiles car très
sensibles, pour les températures de flammes, à ces variations de
composition. Leur utilisation se ferait de plus au détriment de la
productivité, à cause de la présence d’un combustible gazeux à
basse température de flamme.
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Généralement, le four sera alimenté exclusivement en gaz à
haute température de flamme (gaz de cokerie, gaz d’aciérie), le
complément éventuel pouvant être assuré par du gaz naturel ou
par du fuel lourd.
L’optimisation de la gestion énergétique de l’usine exigera
souvent une flexibilité de l’outil four vis-à-vis des combustibles
cités. Sur un four comportant plusieurs types de brûleurs, l’utilisation d’un type de gaz ou des combinaisons de plusieurs gaz pourra
être spécialisée par groupe ou type de brûleurs.
Notons qu’un gaz de cokerie non désulfuré peut poser des
problèmes métallurgiques et surtout exiger une température de
fumées plus élevée pour éviter les problèmes de corrosion
sulfurique dans les récupérateurs.
Une usine ne disposant pas de gaz sidérurgiques utilisera le
plus souvent le gaz naturel commode d’emploi.
On trouvera sur les figures 3 et 4 des coupes longitudinales d’un
four à longerons pour le réchauffage de brames et d’un four du
même principe pour le réchauffage de billettes.
Figure 3 – Four à longerons de réchauffage de brames (d’après doc. Stein Heurtey)
Figure 4 – Four à longerons de réchauffage de billettes (d’après doc. Stein Heurtey)
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4. Conduite des fours.
Automatisation et données
pratiques
4.1 Mesures
La mesure est le préalable absolu à tout diagnostic et à toute automatisation. Elle est essentielle au choix du mode de conduite du
four. La grandeur devant être prise en compte en temps réel
(température, débit, composition d’atmosphère...) n’est le plus
souvent accessible que par la mesure d’un repère en relation avec
cette grandeur :
— la recherche de fiabilité du repère doit prendre le pas sur l’idée
naturelle d’une mesure directe bien souvent peu fiable (exemple :
calcul d’un pouvoir calorifique du gaz de combustion à partir de la
mesure de la composition du gaz plutôt que la mesure directe du
pouvoir calorifique par un calorimètre) ;
— la mesure doit ensuite être représentative du phénomène que
l’on cherche à quantifier (exemple : choix de l’emplacement de
capteurs en vue d’analyse d’atmosphère ou de pression).
En pratique, on mesurera :
— les températures : il peut être important de mesurer la
température du métal avant son enfournement, surtout si le demiproduit arrive chaud de la coulée continue ou d’un laminage
précédent. La mesure en continu s’effectue par pyrométrie optique.
Les problèmes rencontrés sont la détermination du pouvoir émissif
du métal et, pour la mesure, l’influence de l’atmosphère du four
entre le capteur et le métal. Néanmoins, seules les mesures ponctuelles effectuées par des couples thermoélectriques placés dans le
métal apportent une garantie de bonne mesure, cela en particulier
lorsqu’il s’agit d’apprécier l’écart de température cœur-peau dans
le métal. Pour l’atmosphère du four (c’est-à-dire les températures
de gaz, d’air ou de fumées), on utilise en général des couples
thermoélectriques qui ne donnent que des repères et non des
mesures absolues ;
— les pressions à l’intérieur du four ;
— les débits et les analyses des gaz qui permettent, de façon
fiable, d’obtenir à partir du calcul de la masse volumique un débit
correct, et, par le calcul du pouvoir calorifique, un flux thermique
correct.
4.2 Automatisation
À partir des mesures qui viennent d’être décrites, on peut effectuer l’automatisation d’un four à réchauffage en tenant compte des
contraintes suivantes :
— nature du produit, y compris la nuance et les caractéristiques
thermiques ;
— valeur de la production recherchée avec :
• niveau moyen, niveau minimal, niveau maximal de la production, plan de chargement du four,
• répartition des arrêts,
• durée de mise en régime.
Les points les plus importants concernent les exigences métallurgiques et thermiques du métal, c’est-à-dire :
— enthalpie du produit entrant, en particulier la définition des
caractéristiques des enfournements chauds provenant parfois du
laminage mais, de plus en plus, de la coulée continue ;
— enthalpie du produit sortant du four ;
— homogénéité requise du métal dans l’épaisseur (écart de
température cœur-peau), dans la longueur (extrémité-centre) et
localement (impact par exemple de traces de glissières) ;
— courbe de montée de température durant le cycle de
chauffage ;
— exigences particulières concernant l’oxydation et la décarburation.
Avec les moyens modernes de mesure et de régulation, on peut
ainsi disposer :
— tout d’abord des régulations et des sécurités indispensables ;
— ensuite, d’une véritable automatisation plus ou moins
poussée.
4.2.1 Régulation générale
Les fours sont tout d’abord équipés de régulations ou de sécurités
concernant des fonctions spécifiques.
— Sécurité gaz : ce sont des automatismes garantissant le maintien des pressions requises dans les réseaux jusqu’aux brûleurs et
assurant les séquences d’arrêt et d’allumage.
— Sécurité flamme : elle est importante dans les phases d’allumage et de mise en allure.
— Ensemble d’automatismes concernant la tenue des matériels :
• température limite de réfractaires entraînant une réaction sur
la chauffe ;
• température limite de fumées et d’air chaud, protection du
récupérateur contre des températures excessives ou trop faibles ;
• surveillance des circuits de refroidissement.
— Sécurité par manque d’air de combustion.
— Réglage de combustion : la bonne régulation du rapport
air-gaz est fondamentale. Le réglage s’effectue en deux étapes :
— en premier lieu, le rapport air/gaz correspondant à la stœchiométrie est préréglé ou, par exemple, calculé à partir de l’analyse en
continu des constituants du gaz ;
— en second lieu, une correction est appliquée à ce rapport à
partir de la mesure en continu du taux d’oxygène des fumées, ou
du taux de CO dans le cas d’une atmosphère réductrice.
Cette dernière mesure n’est en effet pas utilisable pour régler
directement le rapport air/gaz, car bien souvent sa mesure est
instable et non totalement fiable (entrées d’air parasites ne participant pas à la combustion, hétérogénéités d’atmosphère, temps de
réponse, maintenance importante des appareils de mesures).
Si on sort de ces limites vers le haut ou vers le bas, il est judicieux
de limiter le nombre de brûleurs en fonctionnement, de façon à
respecter des débits unitaires suffisants. Cela conduit à des automatismes qui, pour être efficaces, seront nécessairement
complexes.
— Régulation du régime des pressions dans le four.
4.2.2 Automatisation : le modèle de chauffe
Le modèle de chauffe sera le mode d’emploi de l’outil four
permettant de respecter les objectifs que l’on s’est fixé. Dans le cas
le plus simple, on pourra se limiter à l’application manuelle d’un
ensemble de consignes (par exemple de températures de voûtes)
fixées en fonction des moyens de mesure qui ont été mis en
place (§ 4.1). Dans ce cas, il n’y a pas de réelle automatisation, on
se limite aux régulations générales décrites (§ 4.2.1).
Néanmoins, il est possible d’aller beaucoup plus loin en mettant
en jeu, à l’aide d’ordinateurs, des modèles de chauffe. Il n’existe
malheureusement pas de modèle idéal et universel. Le modèle
devra être adapté aux objectifs retenus et à la nécessaire hiérarchie
des contraintes.
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Les réflexions suivantes devront dicter les choix :
— si c’est utile, un calculateur pourra intégrer toutes les lois
physiques évoquées et sera toujours capable d’effectuer les calculs
programmés ; l’analyse critique des objectifs sera fondamentale ;
— préalablement au modèle de chauffe, les aspects évoqués
dans le paragraphe 4.2.1 doivent être correctement traités,
c’est-à-dire l’objectivité et la fiabilité des résultats des modèles.
Une fois les exigences fixées, une analyse poussée doit être
conduite pour valider le modèle sur des tests réels. On sera
confronté, dans le choix du modèle, au dilemme que donne l’espoir
d’une grande précision offerte par la possibilité de calculs
complexes, opposé à l’utilisation comme données de mesures ou
repères (températures par exemple) qui ne sont que des approximations des valeurs réelles en jeu. Il en découle que la finesse des
calculs mis en œuvre dans le modèle devra être homogène avec la
précision des données d’entrée qu’il utilise et celles fournies par les
mesures installées.
Par ailleurs, une validation globale des calculs sera réalisée par
un bouclage faisant appel à des repères indépendants de ceux
utilisés dans le modèle. Elle sera aussi indispensable pour détecter
les erreurs pouvant résulter par exemple de la dérive des mesures
utilisées par le modèle.
— Pour les transitoires (passages d’une fabrication à une autre),
on trouve des cas complexes à l’image des situations rencontrées.
Il paraît exclu de pouvoir prendre en compte tous les cas possibles.
Notons, à propos de ces régimes et de la construction des fours,
q u e l ’ e m p l o i d e r é f r a c t a i r e s fi b r e u x a m é l i o r e b i e n s û r
considérablement la réponse aux transitoires.
— La configuration générale devra être modulaire : des marches
simplifiées de repli sont nécessaires en cas de défaillances, pour
revenir de l’automatisation complète à des réglages plus simples.
Les conditions de marche exceptionnelles doivent être traitées
séparément du modèle global afin de ne pas le surcharger
inutilement.
Le modèle devra aussi pouvoir s’adapter aux évolutions des
exigences quantitatives et à la prise en compte de nouvelles
mesures plus précises et plus fiables.
— La fonction de collecte des données, en vue de la constitution
d’une banque de données, servira tant pour affiner les modèles
que pour le suivi d’exploitation, dont l’Assurance Qualité.
En résumé, comme l’indique la figure 5, on peut automatiser les
fours de réchauffage des demi-produits, mais c’est le suivi des
résultats qui permet de porter un jugement sur le respect des
objectifs fixés et qui sous-tend toute action de progrès.
La production, la qualité de la production et la consommation
spécifique sont normalement vérifiées. Par contre, l’homogénéité
thermique du métal ne peut être déterminée que par des mesures
ponctuelles spécifiques : il importe que cette détermination soit
programmée systématiquement.
De même, il est nécessaire de vérifier périodiquement, par des
mesures, que les résultats du modèle ne dérivent pas.
Le suivi des résultats s’effectue donc à plusieurs niveaux :
— en continu : la mesure de la température des produits
réchauffés, soit à la sortie du four, soit après laminage, facilite la
détection de dérives concernant l’instrumentation du four ou l’état
de celui-ci ; cette mesure pourra être traitée par des méthodes
statistiques comparant réalisation et objectif ;
— au niveau de la journée : le suivi des performances globales
est déjà significatif au niveau de la journée (consommations spécifiques, bilan du four) ; elles seront comparées aux normes ellesmêmes fonctions de paramètres extérieurs tels que : débit métal,
enfournement chaud, arrêts ;
— au niveau du mois : le suivi des performances permet les analyses les plus objectives, car, à ce niveau, les variations de l’inertie
thermique du four, encore apparentes au niveau de la journée, sont
lissées au niveau du mois ; les consommations spécifiques seront
comparées aux objectifs, en tenant compte des taux de marche, de
l’état général du four et de l’évolution de son isolation thermique ;
elles seront comparées aux meilleurs performances du four ou de
fours équivalents.
Figure 5 – Automatisation d’un four de réchauffage
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__________________________________________________________________________________ FOURS DE RÉCHAUFFAGE DE DEMI-PRODUITS DE LAMINOIRS
4.3 Cas simple d’un four de réchauffage
de billettes
Pour les billettes, la consommation a diminué, toujours pour les
aciers courants (fers marchands, fil machine), de 1 500 jusque vers
1 250 MJ/t.
Un four poussant, enfournant des billettes froides de dimensions
constantes, alimente un train dont la charge est irrégulière et où les
problèmes qualitatifs ne sont pas critiques.
Un modèle de chauffe simple, basé sur une fonction de transfert,
suffit. Le modèle pourra simplement prendre en compte un flux
thermique asservi au débit de métal. Il sera complété par un
bouclage judicieux qui pourra être obtenu à partir de repères du
bilan thermique global : mesures de la température du métal et des
fumées. Ce modèle prendra en compte les limites physiques liées
à la diffusivité thermique du métal, ainsi que les sécurités relatives
à la température des réfractaires du four. Une telle réalisation relève
de microprocesseurs. Les transitoires, qui dans ce cas sont
essentiels, seront sommairement traités par des règles simples, qui
apporteront de bons résultats quantitatifs. La consommation
spécifique du four sera ainsi bien maîtrisée, de même que sa
productivité. Le tableau 3 montre les résultats d’un tel four.
Notons à ce sujet que les fours modernes de réchauffage de
blooms ont des consommations spécifiques diminuant progressivement depuis une dizaine d’années de 2 000 jusque vers
1 000 MJ/t pour les fours les plus puissants.
(0)
Tableau 3 – Four à blooms Unimétal à Gandrange
(Moselle) : caractéristiques et performances (1986)
Capacité nominale :
— en enfournement froid ...........................
— en enfournement chaud ........................
Taux d’enfournement chaud (température
de l’acier > 300 oC).......................................
130 t/h
250 t/h
63 % (de la quantité
en tonnes)
5,8 % (504 h)
5,5 % (482 h)
Taux d’arrêt total du four............................
Taux d’arrêt du four en veilleuse ...............
Production moyenne du four pendant
les 7 174 h de marche ................................. 112 t/h
Consommation
énergétique
massique
moyenne (arrêts compris)........................... 996 MJ/t (238 th/t)
4.4 Cas d’un four de réchauffage
de brames
Cet exemple sera celui d’un four polycombustible réchauffant
des brames de dimensions et de températures variables, dont les
exigences métallurgiques impliquent des montées en températures précises et des fourchettes d’homogénéité de température
étroites. Toutes les automatisations citées sont un préalable à la
mise en œuvre d’un modèle, qui devra piloter automatiquement le
four.
Ce modèle sera naturellement complexe. Il intégrera les lois
physiques de transfert thermique au niveau de chaque brame qui
sera suivie thermiquement de l’enfournement au défournement.
Des repères et des mesures, caractérisant entre autre le produit, sa
position, sa vitesse d’avancement, piloteront la chauffe par groupe
de brûleurs et par zone. L’évolution thermique de chaque brame
sera ainsi suivie en temps réel.
Pour remédier à des déficiences locales qui conduiraient à des
hétérogénéités, des correctifs ponctuels ne mettant pas en cause la
régulation globale pourront être employés et automatisés, par
exemple, le pilotage de certains brûleurs en fonction du plan de
chargement.
Notons, là aussi, l’amélioration des performances de ces fours sur
le plan thermique, ce qui a permis d’abaisser en une dizaine
d’années leur consommation de 1 600 à 1 700 MJ/ t à moins de
1 500 MJ/ t actuellement, et même moins de 1 000 MJ/ t avec le
chargement de brames chaudes de la coulée continue comme chez
Sollac dans son usine de Florange. La figure 1 fait apparaître ainsi
une consommation de gaz combustible (cokerie + aciérie) de
794 MJ/t pour un enfournement de brames à 600 oC.
Ce type de modèle est également appliqué à des fours de
réchauffage de blooms et de billettes lorsque la variété des
chargements en métal le justifie.
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