CLUZEL, Xavier (3 rue Jules Guesde, Ris-Orangis, Ris-Orangis, F-91130, FR)
CLAVEROULAS, Cyril (3 rue Jules Guesde, Ris-Orangis, Ris-Orangis, F-91130, FR)
CLUZEL, Xavier (3 rue Jules Guesde, Ris-Orangis, Ris-Orangis, F-91130, FR)
| REVENDICATIONS 1 . Dispositif pour maintenir sèche l'atmosphère d'un four (1 ) de recuit d'une bande métallique (2) , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (M) propres à réduire la présence d'eau sur la bande (2) avant son entrée dans le four (1 ) de recuit , ces moyens (M) comprenant, en entrée de four, au moins un couteau de gaz (D) par face de bande, alimenté avec un gaz sec dont le point de rosée est compris entre -40°C et -70°C, et produisant un jet de gaz venant impacter la surface de la bande sur toute sa largeur de sorte de décoller l'humidité se trouvant en surface de la bande, et en ce que les couteaux de gaz (D) sont implantés dans une enceinte étanche (C) contenant un gaz ayant un point de rosée maintenu entre -40°C et -70°C, cette enceinte étant isolée d'une part de l'ambiance extérieure du four et d'autre part de l'atmosphère du four par des systèmes de séparation d'atmosphère (A,B). 2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les couteaux de gaz (D) sont alimentés via une boucle de recyclage de l'atmosphère présente dans l'enceinte comprenant un sécheur (G) ramenant le gaz prélevé dans l'enceinte au point de rosée requis. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des rouleaux d'appui (H) de la bande sont présents au voisinage des couteaux de gaz (D) afin de donner une ligne de passe stable à la bande et permettre de rapprocher les couteaux de gaz de la bande. 4. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les couteaux de gaz (D) sont inclinés en sens contraire du défilement de la bande de sorte de renforcer leur efficacité par un écoulement du gaz à contre-courant par rapport au défilement de la bande. 5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le débit de soufflage de gaz est compris entre 1000 à 4000 Nm3/h pour une pression de 200 mbar à 5 bars 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance entre l'orifice de sortie des couteaux (D) pour le gaz et la bande (2) est comprise entre 10 à 100 mm. 7. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les couteaux (D) sont montés sur des systèmes mobiles permettant de régler la distance entre les couteaux et la bande. 8. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'enceinte étanche (C) contient de l'azote. 9. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens propres à réduire la présence d'eau sur la bande (2) comprennent, en entrée de four, un dispositif de chauffage de la bande de sorte de décoller par évaporation l'humidité se trouvant en surface de la bande. 10. Four de recuit brillant pour bande (2), caractérisé en ce qu'il comprend, avant son entrée, un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. |
L'invention est relative à un dispositif pour maintenir sèche l'atmosphère d'un four de recuit pour bande métallique, notamment d'un four de recuit à chauffage rapide pour bande d'acier au carbone et d'un four de recuit brillant pour bande d'acier inoxydable.
Sur un four traditionnel de recuit brillant en continu de bandes métalliques en aciers inoxydables, il est nécessaire de maintenir dans le four une atmosphère très sèche, typiquement avec une teneur en H 2 O équivalente à un point de rosée inférieur ou égal à -40°C. Un point de rosée trop élevé conduirait à une dégradation de la qualité de surface de la bande.
Sur un four de recuit pour acier au carbone, il peut également être nécessaire de maintenir dans le four une atmosphère très réductrice, notamment lorsque le temps de séjour de la bande dans le four est faible. Cela est par exemple le cas pour les fours à chauffage rapide, notamment par induction. Une haute teneur en hydrogène dans l'atmosphère du four, par exemple 75% à 100%, permet de réduire les éventuels oxydes présents sur la bande malgré le faible temps de séjour à température.
Une source importante de pollution en H 2 O de l'atmosphère présente à l'intérieur du four est la bande métallique elle-même. Celle-ci circule à des vitesses élevées, par exemple entre 60 mpm (mètres par minute) et 800 mpm. L'eau présente sur la surface de la bande et résultant de l'humidité de l'ambiance extérieure du four est ainsi entraînée dans le four.
De très faibles valeurs d'H 2 O entraînées par la bande ont un impact important sur la dégradation du point de rosée dans le four. Par exemple, une épaisseur d'eau résiduelle de 0.018 μιτι (micromètre) par face de bande sur une bande de largeur 1350 mm circulant dans un four d'un volume de 650 m3 à une vitesse de 80 mpm nécessite un renouvellement de gaz d'atmosphère du four proche de 800 Nm3/h afin de maintenir l'ambiance du four à un point de rosée de -40°C et ce, en injectant un gaz d'atmosphère avec une teneur en H 2 O correspondant à un point de rosée égal à -70°C.
Le gaz d'atmosphère injecté dans le four est composé d'un mélange d'hydrogène et d'azote avec une concentration d'hydrogène importante, typiquement entre 75% et 100%. Le prix du m3 de ce gaz étant élevé, le débit de renouvellement nécessaire pour maintenir le point de rosée à un niveau convenable entraîne des coûts d'exploitation de l'installation très importants. Le moyen utilisé aujourd'hui pour compenser cette pollution venant de la bande est une dilution de l'atmosphère présente dans le four avec un gaz très sec venant directement du réseau de l'installation. Il en résulte une consommation directe d'hydrogène et d'azote pour l'exploitant de l'installation. Ce moyen peut être couplé avec un dispositif de recyclage de l'atmosphère composé d'une boucle de recirculation du gaz d'atmosphère du four dans laquelle le gaz est séché avant d'être réinjecté dans le four.
Par exemple, sur les 800 Nm3/h mentionnés dans l'exemple précédent, 400 Nm3/h seront pris sur le réseau de l'installation en consommation directe et 400 Nm3/h seront recirculés via cette boucle de recyclage du gaz d'atmosphère.
Il existe principalement deux configurations de fours de recuit en continu de bandes métalliques équipés de chauffage rapide.
Dans la première, le four comprend deux systèmes de séparation d'atmosphères destinés à séparer l'atmosphère présente dans le four de l'air ambiant. Le premier est placé à l'entrée de la bande dans le four, le second à sa sortie.
Dans une seconde configuration, le four comprend une « chambre tampon » maintenue sous 100% d'azote. Le four comprend ainsi deux systèmes de séparation d'atmosphère en entrée et en sortie du four séparant les ambiances air/azote et deux systèmes de séparation d'atmosphère intermédiaires permettant de séparer les ambiances azote/atmosphère H2-N2 du four. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif permettant de maintenir, dans un four de recuit d'une bande métallique, une atmosphère très sèche avec une consommation réduite de gaz, et donc un coût d'exploitation réduit. Selon l'invention, le dispositif pour maintenir sèche l'atmosphère d'un four de recuit pour bande métallique est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens propres à réduire la présence d'eau sur la bande avant son entrée dans le four de recuit , ces moyens comprenant, en entrée de four, au moins un couteau de gaz par face de bande, alimenté avec un gaz sec dont le point de rosée est compris entre -40°C et -70°C, et produisant un jet de gaz venant impacter la surface de la bande sur toute sa largeur de sorte de décoller l'humidité se trouvant en surface de la bande,
et en ce que les couteaux de gaz sont implantés dans une enceinte étanche contenant un gaz ayant un point de rosée maintenu entre -40°C et -70°C, cette enceinte étant isolée d'une part de l'ambiance extérieure du four et d'autre part de l'atmosphère du four par des systèmes de séparation d'atmosphère.
Par « couteau » de gaz, on désigne un dispositif de soufflage de gaz produisant un jet de gaz venant impacter la surface de la bande sur toute sa largeur pour décoller l'humidité en surface ou emprisonnée dans les porosités de la bande. Les couteaux de gaz produisent un jet de gaz droit ou en chevron.
S'il n'est pas disponible sur le réseau de l'installation, ce gaz peut, par exemple, être généré par un ensemble compresseur / surpresseur et un sécheur de gaz. Un préchauffage du gaz peut être réalisé mais il n'est pas nécessaire pour les applications standards.
Le nombre de couteaux de gaz, les pressions d'alimentation de ces couteaux, les débits de gaz, les vitesses de jet et la distance entre les couteaux et la bande dépendent de la vitesse de circulation de la bande.
Des essais en laboratoire permettent de définir les paramètres appropriés du dispositif en fonction des vitesses de bande et des distances entre les couteaux et la bande.
Le maintien du point de rosée, dans l'enceinte isolée, à des valeurs comprises entre -40°C et -70°C évite le « remouillage » de la bande entre les couteaux et l'entrée du four. Les couteaux de gaz peuvent être alimentés via une boucle de recyclage de l'atmosphère présente dans l'enceinte comprenant un sécheur ramenant le gaz prélevé dans l'enceinte au point de rosée requis. L'enceinte étanche présente ainsi l'avantage de permettre de recirculer le gaz soufflé sur la bande ce qui limite la taille des équipements de séchage de gaz.
Pour améliorer la sécurité du four, celui-ci fonctionnant sous très haute teneur en hydrogène, le gaz soufflé sur la bande et l'ambiance en résultant dans l'enceinte étanche peut être un gaz inerte, notamment de l'azote.
En effet, les systèmes de séparation d'atmosphère sur ce type d'installation n'étant pas parfaitement étanches, il est fréquent que sur certaines phases de fonctionnement, ou de dysfonctionnement, de l'air s'engouffre dans le four à travers les systèmes de séparation d'atmosphères, ce qui génère des risques potentiels d'explosion.
Le fait que l'enceinte soit sous une ambiance inerte, notamment de l'azote, permet d'avoir un volume tampon de gaz qui dans le cas où il est aspiré dans le four, ne génère aucun risque.
Les couteaux de gaz inerte permettent également de casser le panache de volume d'air entraîné dans le four par le défilement de bande.
Selon l'exemple préféré de réalisation de l'invention, des rouleaux d'appui de la bande sont présents au voisinage des couteaux de gaz afin de donner une ligne de passe stable à la bande, ce qui permet de rapprocher au maximum les couteaux de gaz de la bande. En effet, plus les couteaux de gaz sont proches de la bande et plus le décollement de l'humidité présente à la surface de la bande sera efficace.
Les couteaux de gaz peuvent être inclinés en sens contraire du défilement de la bande de sorte de renforcer leur efficacité par un écoulement du gaz à contre- courant par rapport au défilement de la bande. Le débit de soufflage de gaz peut être compris entre 1000 et 4000 Nm3/h pour une pression de 200 mbar à 5 bars La distance entre l'orifice de sortie des couteaux pour le gaz et la bande peut notamment être comprise entre 10 et 100 mm. Les couteaux de gaz sont avantageusement montés sur des systèmes mobiles permettant de régler la distance entre les couteaux et la bande.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les moyens propres à réduire la présence d'eau sur la bande comprennent, en entrée de four, un dispositif de chauffage de la bande de sorte de décoller par évaporation l'humidité se trouvant en surface de la bande.
Le dispositif de chauffage est avantageusement implanté dans une enceinte étanche, contenant un gaz sec dont le point de rosée est maintenu à des valeurs comprises entre -40°C et -70°C, isolée d'une part de l'ambiance extérieure du four et d'autre part de l'atmosphère du four par des systèmes de séparation d'atmosphères.
Pour limiter le volume de cette enceinte, le chauffage de la bande est avantageusement réalisé par un dispositif de chauffage rapide permettant un transfert de chaleur sur une faible longueur de bande, par exemple un chauffage par induction ou un chauffage par infrarouge à ondes courtes.
La bande est portée rapidement à une température permettant l'évaporation de l'eau. Cette température est néanmoins limitée pour être compatible avec les matériaux utilisés par les systèmes de séparation d'atmosphères. La bande est par exemple portée à une température de 150 à 200°C.
Le chauffage de la bande réalisé selon l'invention contribue au chauffage global de la bande nécessaire pour qu'elle atteigne la température de recuit. La consommation énergétique supplémentaire induite par l'invention est donc limitée.
L'enceinte étanche dans laquelle est placé le dispositif de chauffage selon l'invention peut être équipée d'une boucle de recyclage de l'atmosphère présente dans l'enceinte comprenant un sécheur ramenant le gaz prélevé dans l'enceinte au point de rosée requis.
L'invention procure de nombreux avantages. Etant donné que l'humidité entraînée par la bande est une source importante de pollution du four, le fait de supprimer ou de minimiser la quantité d'H 2 O entraînée dans le four permet de réduire de façon importante les consommations de gaz d'atmosphère.
Egalement, dans le cas où l'installation est équipée d'une boucle de recyclage de l'atmosphère, le dispositif selon l'invention permet de réduire la capacité de cette boucle de recyclage permettant ainsi de minimiser le coût d'investissement de l'installation.
Par exemple, pour une épaisseur d'eau résiduelle sur la bande avant les couteaux de gaz de 0.018 μιτι et après les couteaux de 0.009 μιτι par face de bande, sur une bande de largeur 1350 mm circulant dans un four d'un volume de 650 m3 à une vitesse de 80 mpm, le débit de renouvellement de gaz d'atmosphère du four sera proche de 400 Nm3/h afin de maintenir l'ambiance du four à un point de rosée de -40°C et ce, en injectant un gaz d'atmosphère avec une teneur en H 2 O correspondant à un point de rosée égal à -70°C.
Ces 400 Nm3/h sont à comparer aux 800 Nm3/h nécessaires sans le dispositif selon l'invention ce qui représente, pour une ambiance de four composée de 90% d'hydrogène et 10% d'azote, une économie de 360 Nm3/h d'hydrogène et 40 Nm3/h d'azote.
Le dispositif selon l'invention permet ainsi :
- une meilleure maîtrise de l'atmosphère présente dans le four,
- une réduction des coûts d'exploitation par une réduction des consommations de gaz d'atmosphère,
- une réduction du coût d'investissement de l'installation par une réduction de la capacité de la boucle de recyclage. Le dispositif selon l'invention permet également l'obtention d'un point de rosée plus bas avec des consommations de gaz d'atmosphère équivalentes à celles d'une installation, à point de rosée plus élevé, ne possédant pas ce dispositif.
L'invention est également relative à un four de recuit pour bande métallique équipé d'un dispositif pour maintenir sèche l'atmosphère du four, tel que défini précédemment.
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'un exemple décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig.1 est une coupe schématique verticale partielle de l'entrée d'un four de recuit pour bande métallique équipé d'un dispositif selon l'invention, et
Fig.2 est une coupe schématique verticale, à plus grande échelle, illustrant l'effet des couteaux de gaz sur la bande métallique.
En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir un dispositif S, selon l'invention, pour maintenir sèche l'atmosphère d'un four 1 de recuit pour bande métallique 2. Le dispositif S est placé à l'entrée du four 1 de recuit fonctionnant sous atmosphère à haute teneur en hydrogène (entre 75% et 100%) et sous un point de rosée inférieur à -40°C.
Selon l'exemple illustré, la bande 2 se déplace verticalement de bas en haut. Bien entendu, le sens de déplacement de la bande pourrait être inversé ; en outre la bande pourrait se déplacer horizontalement ou en oblique.
Le dispositif S comporte des moyens M propres à réduire la présence d'eau sur la bande 2. Avantageusement, les moyens M comportent une enceinte inerte C sous atmosphère d'azote, et sont placés entre un système de séparation d'atmosphère A, en entrée du dispositif S, destiné à séparer l'air ambiant de l'azote présent dans l'enceinte inerte C et un système de séparation d'atmosphère B en sortie du dispositif S séparant l'azote de l'atmosphère du four.
Le dispositif S est composé :
- de l'enceinte étanche C constituant une zone inerte dans laquelle l'atmosphère est maintenue à 100% d'azote avec un point de rosée inférieur ou égal à -40°C, - d'une ou plusieurs paires de couteaux d'azote D,
- d'un circuit de recirculation d'azote comprenant une extraction E, un compresseur ou surpresseur F et une unité de séchage d'azote G, - des rouleaux H, en amont et en aval des couteaux D, afin de maintenir une ligne de passe stable. Chaque couteau de gaz D est formé par une buse de soufflage 3 convergente (Fig.2) dont l'orifice de sortie 4 est constitué par une fente s'étendant sur toute la largeur de la bande.
Le dimensionnement du circuit de recirculation ainsi que le nombre de paires de couteaux dépend des caractéristiques de la ligne (vitesse de défilement de bande et point de rosée recherché dans le four).
Le nombre de couteaux D peut se limiter à une paire. Deux paires ou davantage peuvent également être nécessaires.
Les couteaux de gaz D, comme visible sur Fig .1 , sont avantageusement inclinés en sens contraire du défilement de la bande 2 de sorte de renforcer leur efficacité par un écoulement du gaz à contre-courant par rapport au défilement de la bande.
Le débit de soufflage est avantageusement compris entre 1000 et 4000 Nm3/h pour une pression de 200 mbar à 5 bars
Différentes technologies de couteaux D peuvent être utilisées en fonction de l'efficacité recherchée. Par exemple des couteaux à haute pression (entre 2 et 5 bars et un débit de 1000 à 2000 Nm3/h) ou des couteaux à faible pression (entre 200 et 400 mbar et un débit de 2500 à 4000 Nm3/h). La solution haute pression est plus efficace mais plus coûteuse et consomme davantage d'énergie.
Fig.2 illustre schématiquement l'effet des jets de gaz 5 des couteaux D sur l'eau résiduelle se trouvant en surface de la bande 2, ou dans les porosités de celle- ci. L'impact des jets de gaz sur la bande détache la couche d'eau résiduelle qui est évacuée avec le gaz.
La distance entre l'orifice de sortie 4 des couteaux D pour le gaz et la bande 2 est de préférence comprise entre 10 à 100 mm. Plus la distance est réduite et plus le système est efficace. Pour permettre de réduire cette distance, des rouleaux H peuvent être installés, de part et d'autre de la bande 2, afin de stabiliser la ligne de passe de la bande et ainsi permettre de rapprocher au maximum les couteaux D de la bande 2.
Selon un exemple préféré de réalisation de l'invention, les couteaux D sont montés sur des systèmes mobiles permettant de régler la distance entre les couteaux et la bande. Selon une variante de réalisation, les moyens propres à réduire la présence d'eau sur la bande peuvent comprendre, en entrée de four, un dispositif de chauffage (non représenté) de la bande de sorte de décoller par évaporation l'humidité se trouvant en surface de la bande, en remplacement des couteaux de gaz.
Exemple d'application pour une ligne de recuit brillant d'une bande en acier inoxydable
. Volume du four : 650 m3
. Largeur de bande : 1350 mm,
. Vitesse de défilement de la bande : 80 mpm,
. Epaisseur d'eau résiduelle sur la bande avant les couteaux de gaz : 0.018 μιτι par face de bande,
. Longueur L1 de l'enceinte étanche : 2500 mm
. Diamètre des rouleaux H d'appui : 250 mm
. Distance L2 entre les rouleaux d'appui : 2000 mm
. Nombre de paires de couteaux de gaz : 2,
. Distance entre les couteaux de gaz et la bande : < 50 mm
. Nature du gaz soufflé par les couteaux de gaz : azote avec un point de rosée de -70°C,
. Débit total de gaz circulant dans les couteaux de gaz : 1500 Nm3/h,
. Pression dans les couteaux de gaz : 3 bars
Cet exemple d'application d'un dispositif selon l'invention permet de limiter l'épaisseur d'eau résiduelle sur la bande après les couteaux de gaz à 0.009 μιτι par face de bande. Cela permet de limiter le débit de renouvellement de gaz d'atmosphère du four à 400 Nm3/h en maintenant le point de rosée de l'atmosphère du four à -40°C.