EP0324727B1 - Procédé de contrôle de l'atmosphère humide dans un four de traitement thermique et installation à cet effet - Google Patents

Procédé de contrôle de l'atmosphère humide dans un four de traitement thermique et installation à cet effet Download PDF

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EP0324727B1
EP0324727B1 EP89870006A EP89870006A EP0324727B1 EP 0324727 B1 EP0324727 B1 EP 0324727B1 EP 89870006 A EP89870006 A EP 89870006A EP 89870006 A EP89870006 A EP 89870006A EP 0324727 B1 EP0324727 B1 EP 0324727B1
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furnace
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Cedric Ghislain Gustave Marie Orban
Vincent Pierre Iacono
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ArcelorMittal Liege Upstream SA
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Cockerill Sambre SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/02—Supplying steam, vapour, gases, or liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0006—Monitoring the characteristics (composition, quantities, temperature, pressure) of at least one of the gases of the kiln atmosphere and using it as a controlling value
    • F27D2019/0012—Monitoring the composition of the atmosphere or of one of their components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0068—Regulation involving a measured inflow of a particular gas in the enclosure

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the humidity of a controlled atmosphere in a heat treatment oven such as for example a decarburization oven.
  • Document EP-A-0 252 256 discloses a device comprising an oven intended for chemically treating compact non-sintered products in order to remove the binder therefrom.
  • Water tanks located at the bottom of the oven are supplied by a source connected to a valve.
  • the turbulent atmosphere which circulates in the furnace is charged with humidity and in principle becomes saturated when it passes over the tanks.
  • Another object of the present invention is to provide an installation for controlling humidity in a heat treatment oven which is considerably simpler than that of the prior art and which requires considerably lower installation costs.
  • the humidity of the atmosphere is controlled in an oven intended for a heat treatment by injection of water in the form of droplets, diffusion and evaporation thereof in said oven.
  • water is used at room temperature.
  • water is advantageously used under constant pressure.
  • An oven intended for a heat treatment such as for example a decarburization oven, generally comprises a stirring means, for example an impeller.
  • a stirring means for example an impeller.
  • the water injection is regulated on the basis of a dew point set point and a measurement of the actual humidity level in the oven enclosure.
  • an installation for implementing the above-mentioned method comprises at least one supply of water under essentially constant pressure, a water supply pipe provided with a control valve, a means for injecting water into the oven and a means for diffusing the water in the oven enclosure.
  • the means for injecting the pressurized water consists of spray ejector nozzles and can be designed in such a way that it simultaneously diffuses the water into the oven.
  • Such an injection means can be arranged at the top of the oven. However, it can also be provided that the water injection is oriented on an impeller generally mounted in the bottom of the oven and intended to stir the gas constituting the atmosphere thereof.
  • the regulation valve is advantageously controlled by a regulator receiving on the one hand a dew point setpoint signal and on the other hand a signal resulting from the measurement of the humidity level in the oven enclosure.
  • FIG. 1 there is shown a heat treatment furnace bearing the reference mark 1, a constant level water tank 3 which allows to have at the place of injection 5 of water into the furnace 1 d '' essentially constant pressure.
  • the injection is made by means of spraying ejector nozzles which inject the water in the form of droplets.
  • Said constant level tank 3 comprises, in a manner known per se, a water supply duct 7 and a float 9 controlling a supply valve 11.
  • the water is evacuated through line 13 which optionally includes a filter 15, a control valve 17 and possibly a flow measurement device 19 such as a rotameter for example.
  • the regulation valve is controlled by a conventional type regulator 21 which receives a dew point setpoint signal 23 and a signal corresponding to the actual measurement of the humidity level, by means of a measurement probe 25 judiciously placed in the oven. treatment 1.
  • the actual humidity measurement probe advantageously consists of a lithium chloride probe known per se, but very suitable for this type of application.
  • a heat treatment oven a decarburization oven in which an atmosphere of H2N2 (6% H2 and 94% N2) prevails with a pressure of 2.58.1O ⁇ 6 kg / m2 and a temperature of around 70 ° C.
  • This type of oven includes a turbine for mixing the gases constituting the atmosphere.
  • the atmosphere of the oven is quickly raised in humidity by a flow rate of the order of 7 liters / hour of water for a volume of oven of the order of 30 m3 and a gas flow rate of atmosphere of the order of 50 m3 / hour. Then, the atmosphere is controlled from the humidity point of view so that it is in conditions close to the dew point. To do this, generally a flow of 2 to 7 l / h is sufficient.
  • the water is advantageously injected into the oven at a pressure of the order of 2.1O4 kg / m2, the pressure of the oven atmosphere being 2.58.1O ⁇ 6 kg / m2 approximately.
  • the water droplets thus distributed in the oven enclosure vaporize by the effect of the heat which reigns in the oven and thus contribute to the establishment of a desired humidity level.
  • the flow measurement means 19 advantageously consists of a rotameter 19 '' intended to measure flow rates ranging from 0 to 50 l / h.
  • FIG. 2 represents a preferred embodiment of the control of a control valve bearing the general reference 17 in FIG. 1.
  • valve In a conventional manner, said valve is mounted in parallel on a bypass circuit 31.
  • the regulator 21 associated with a timer 33 known per se and supplied with 35, receives a dew point setpoint signal 23 and a signal converted to 37, from a chloride probe lithium 25 and forms therefrom a control signal converted into a pneumatic signal in a suitable converter 39.
  • the pneumatic signal thus obtained is amplified correspondingly in the valve actuator via the valve positioner 41 of the valve regulation 17.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé de contrôle de l'humidité d'une atmosphère contrôlée dans un four de traitement thermique tel que par exemple un four de décarburation.
  • Elle concerne également une installation destinée à la mise en oeuvre de ce procédé.
  • Par le document EP-A-O 252 256, on connaît un dispositif comprenant un four destiné à traiter chimiquement des produits compacts non-frittés afin d'en soustraire le liant. Des réservoirs à eau situés dans le fond du four sont alimentés par une source reliée à une vanne. L'atmosphère turbulente qui circule dans le four se charge en humidité et en principe se sature lors de son passage au-dessus des réservoirs.
  • Il n'est cependant pas prévu de contrôle quant à la quantité d'eau présente dans cette atmosphère et il n'est pas non plus prévu de moyen de régulation autre qu'une simple vanne pour l'alimentation du réservoir.
  • En vue d'humidifier l'atmosphère contrôlée d'un four de traitement thermique,il est connu d'injecter de la vapeur d'eau mélangée à de l'air (US-A-3 169 158) ou mélangée à de l'hydrogène (US-A-3 127 289), ou de la vapeur d'eau seule, généralement à une pression de l'ordre de 4 à 6 bars moyennant une vanne de contrôle à micro-débits régulée sur base d'une consigne du point de rosée et d'une mesuredu taux d'humidité. Ce procédé présente toutefois bon nombre d'inconvénients.
  • On comprendra aisément que le procédé de l'état de la technique exige la disponibilité en continu de vapeur. Ceci entraîne évidemment des coûts de fonctionnement assez élevés vu la consommation d'énergie nécessaire à la production de vapeur.
  • En outre, l'installation destinée à la mise en oeuvre du procédé connu est également onéreuse étant donné qu'il y a lieu de faire appel à des tuyauteries adaptées au transport de vapeur et à une isolation thermique adéquate.
  • Par ailleurs, suite à la vitesse importante du fluide, il s'impose d'utiliser un filtre dans le conduit d'alimentation, en amont de la vanne de régulation de débit. Dans la mesure où l'on désire maintenir la pression stable en amont de la vanne de régulation de débit, en vue d'en faciliter la régulation, il y a également lieu de prévoir une vanne de régulation de pression qui ne fait que compliquer et renchérir l'installation ainsi que la rendre plus sensible aux pannes. De plus, ladite vanne de régulation doit être très élaborée suite au danger de cavitation en phase vapeur et à la différence de pression importante; les vannes sont généralement onéreuses et manquent de souplesse de réglage et de fonctionnement. Le contrôle du débit de vapeur s'avère également peu aisé, vu la difficulté de mesurer un débit de vapeur, d'autant plus qu'il s'agit de débits très faibles (micro-débit).
  • Dans une installation selon l'état de la technique, il y a généralement également lieu de prévoir un condenseur agencé en amont de la vanne de régulation de débit. En effet, vu les très faibles débits de vapeur demandés par le four, il est nécessaire, afin d'éviter une condensation dans la tuyauterie, d'augmenter le débit d'arrivée et de condenser le surplus pour l'évacuer ensuite.
  • Finalement, si l'encombrement local ne permet pas l'agencement de la vanne de régulation à proximité de l'endroit d'injection, il y a lieu de prévoir un surchauffeur afin de maintenir le micro-débit en phase vapeur.
  • Au vu de ce grand nombre d'inconvénients, on a tenté de trouver un autre procédé pour le contrôle de l'humidité d'une atmosphère contrôlée dans un four de traitement thermique. On a plus particulièrement cherché à fournir un procédé du type susmentionné plus aisé du point de vue régulation et moins onéreux au fonctionnement.
  • Un autre but de la présente invention consiste à fournir une installation pour le contrôle de l'humidité dans un four de traitement thermique qui est notablement plus simple que celle de l'état de la technique et qui exige des dépenses d'installation nettement inférieures.
  • Selon la présente invention, on contrôle l'humidité de l'atmosphère dans un four destiné à un traitement thermique par injection d'eau sous forme de gouttelettes, diffusion et évaporation de celle-ci dans ledit four.
  • De préférence, on utilise l'eau à température ambiante. En vue de faciliter la régulation, on utilise avantageusement de l'eau sous une pression constante.
  • Un four destiné à un traitement thermique, tel que par exemple un four de décarburation, comporte généralement un moyen de brassage, par exemple une roue à aubes. Le brassage important du gaz constituant l'atmosphère contrôlée dudit four et la température de celui-ci provoquent l'évaporation et la diffusion de l'eau dans le milieu du four.
  • Il est bien évident que si ledit four ne comporte pas de moyen de brassage, on peut prévoir un dispositif adéquat. Pour ce qui concerne l'évaporation, celle-ci résulte de la température assez élevée qui règne dans le four, en vue d'effectuer le traitement thermique auquel il est destiné.
  • Avantageusement,l'injection d'eau est régulée sur base d'une consigne du point de rosée et d'une mesure du taux d'humidité réel dans l'enceinte du four.
  • Selon un autre aspect de la présente invention, on fournit une installation destinée à la mise en oeuvre du procédé susmentionné. Celle-ci comporte au moins une alimentation en eau sous pression essentiellement constante, une conduite d'alimentation en eau munie d'une vanne de régulation, un moyen d'injection de l'eau dans le four et un moyen de diffusion de l'eau dans l'enceinte du four.
  • Le moyen d'injection de l'eau sous pression consiste en des buses d'éjecteurs pulvérisantes et peut être conçu de manière telle qu'il diffuse simultanément l'eau dans le four. Un tel moyen d'injection peut être agencé à la partie supérieure du four. On peut toutefois également prévoir que l'injection d'eau est orientée sur une roue à aubes généralement montée dans la sole du four et destinée à brasser le gaz constituant l'atmosphère de celui-ci.
  • La vanne de régulation est avantageusement commandée par un régulateur recevant d'une part un signal de consigne de point de rosée et d'autre part un signal résultant de la mesure du taux d'humidité dans l'enceinte du four.
  • Les avantages résultant de la présente invention sont aisément compréhensibles, si l'on considère les inconvénients de l'état de la technique:
    • L'eau est aisément disponible et peu onéreuse, d'autant plus qu'il n'y a pas lieu de prévoir un chauffage de celle-ci.
      Pour ce qui concerne le maintien sous pression constante, il suffit de prévoir un réservoir à niveau essentiellement constant, disposé à une hauteur manométrique suffisante.
    • L'installation est sensiblement simplifiée étant donné que les tuyauteries sont rudimentaires et ne nécessitent aucune isolation thermique.
    • La vanne de régulation est moins onéreuse car elle n'est plus soumise aux risques de cavitation et subit une différence de pression sensiblement moins élevée. En outre, ces vannes sont souples à l'utilisation.
    • Le débit peut être mesuré facilement étant donné qu'il s'agit d'un liquide et un dispositif de mesure du débit peut être agencé à tout point de la tuyauterie, étant donné qu'il n'y a plus de débit de fuite.
    • La vanne peut être placée en tout point de la tuyauterie.
    • Les frais d'installation sont notablement réduits, vu l'absence d'un condenseur et d'un surchauffeur.
  • Il est bien évident qu'on peut prévoir l'utilisation d'eau traitée chimiquement ou déminéralisée.
  • L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'appui des dessins dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'une installation conforme à la présente invention; et
    • la figure 2 est une vue schématique d'une vanne de réglage convenant bien pour l'installation de l'invention.
  • A la figure 1, on a représenté un four de traitement thermique portant le repère de référence 1, un réservoir d'eau à niveau constant 3 qui permet de disposer à l'endroit de l'injection 5 d'eau dans le four 1 d'une pression essentiellement constante. L'injection se fait au moyen de buses d'éjecteurs pulvérisantes qui injectent l'eau sous forme de gouttelettes.Ledit réservoir à niveau constant 3 comporte, de manière connue en soi, un conduit d'alimentation en eau 7 et un flotteur 9 commandant une vanne d'alimentation 11.
  • L'évacuation de l'eau se fait par le conduit 13 qui comporte éventuellement un filtre 15, une vanne de régulation 17 et éventuellement un dispositif de mesure de débit 19 tel qu'un rotamètre par exemple.
  • La vanne de régulation est commandée par un régulateur de type classique 21 qui reçoit un signal de consigne du point de rosée 23 et un signal correspondant à la mesure réelle du taux d'humidité, grâce à une sonde de mesure 25 judicieusement placée dans le four de traitement 1.
  • On constate aisément que ce type de circuit est notablement plus simple qu'un circuit correspondant pour l'injection de vapeur.
  • La sonde de msure du taux d'humidité réel consiste avantageusement en une sonde au chlorure de lithium connue en soi,mais convenant bien pour ce type d'application.
  • A titre exemple, on peut citer comme four de traitement thermique, un four de décarburation dans lequel règne une atmosphère de H₂N₂ (6 % H₂ et 94 % N₂) d'une pression de 2,58.1O⁻⁶ kg/m² et une température de l'ordre de 71O°C. Ce type de four comporte une turbine pour le brassage des gaz constituant l'atmosphère.
  • Au début du traitement thermique, on élève rapidement l'atmosphère du four en humidité par un débit de l'ordre de 7 litres/heure d'eau pour un volume de four de l'ordre de 3O m³ et un débit de gaz d'atmosphère de l'ordre de 5O m³/heure. Ensuite, l'atmosphère est contrôlée du point de vue humidité de manière à ce qu'elle se situe dans des conditions proches du point de rosée. Pour ce faire , généralement un débit de 2 à 7 l/h suffit.
  • L'eau est avantageusement injectée dans le four à une pression de l'ordre de 2.1O⁴ kg/m², la pression de l'atmosphère du four étant de 2,58.1O⁻⁶ kg/m² environ.
  • Dans le cas d'un four de décarburation, comportant dans la sole, une roue à aube, il est avantageux d'injecter l'eau à proximité de ladite roue en vue d'assurer la diffusion la meilleure possible dans l'enceinte du four.
  • On peut toutefois également prévoir une injection par le haut du four.
  • Les gouttelettes d'eau ainsi réparties dans l'enceinte du four se vaporisent par l'effet de la chaleur qui règne dans le four et contribuent ainsi à l'établissement d'un taux d'humidité recherché.
  • Le moyen de mesure du débit 19 consiste avantageusement en un rotamètre 19'' destiné à mesurer des débits allant de 0 à 5O l/h.
  • La figure 2 représente une forme d'exécution préférentielle de la commande d'une vanne de régulation portant le repère général 17 à la figure 1.
  • De manière classique, ladite vanne est montée en parallèle sur un circuit de dérivation 31. Le régulateur 21 associé à une minuterie 33 connue en soi et alimenté en 35, reçoit un signal de consigne de point de rosée 23 et un signal converti en 37, issu d'une sonde au chlorure de lithium 25 et forme à partir de ceux-ci un signal de commande converti en signal pneumatique dans un convertisseur adéquat 39. Le signal pneumatique ainsi obtenu est amplifié de manière correspondante dans l'actionneur de vanne via le positionneur de vanne 41 de la vanne de régulation 17.
  • Il est bien évident que l'invention ne se limite pas aux formes d'exécution décrites mais qu'elle s'étend au cadre défini par les revendications.

Claims (12)

  1. Procédé de contrôle de l'humidité d'une atmosphère contrôlée dans un four de traitement thermique par injection d'eau, diffusion et évaporation de celle-ci dans ledit four, caractérisé en ce que l'eau est injectée sous forme de gouttelettes.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on injecte l'eau éventuellement déminéralisée à température ambiante.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on injecte l'eau sous une pression constante.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'injection d'eau est régulée sur base d'une consigne du point de rosée et d'une mesure du taux d'humidité réel dans l'enceinte du four.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on commence par élever rapidement l'atmosphère du four en humidité et en ce qu'ensuite on contrôle l'humidité à l'aide d'une régulation de l'injection d'eau sur base du point de rosée.
  6. Installation pour le contrôle de l'humidité d'une atmosphère contrôlée dans un four de traitement thermique comportant au moins une alimentation en eau sous pression (3) essentiellement constante, une conduite d'alimentation en eau (13) munie d'une vanne de régulation (17), un moyen d'injection (5) de l'eau dans le four (1), ledit moyen consistant en une buse d'éjecteur pulvérisante, et un moyen de diffusion (5') de l'eau dans l'enceinte dudit four.
  7. Installation conforme à la revendication 6 caractérisées en ce que le moyen d'injection (5) est agencé à la partie supérieure du four (1).
  8. Installation conforme à la revendication 6 caractérisée en ce que le moyen d'injection (5) est agencé à proximité d'une roue à aube servant de moyen de diffusion et montée dans la sole du four.
  9. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la vanne de régulation (17) est commandée par un régulateur (21) recevant d'une part un signal de consigne du point de rosée (23) et, d'autre part un signal résultant de la mesure (25) du taux d'humidité réel dans le four (1).
  10. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un filtre (15) et/ou un dispositif de mesure de débit (19) qui consiste éventuellement en un ou deux rotamètres (19', 19'') montés en parallèle et présentant des sensibilités et/ou précisions différentes.
  11. Installation selon l'une quelconque des revendication précédentes caractérisé en ce que la vanne de régulation (17) est montée en parallèle sur un circuit de dérivation (31), en ce que le régulateur (21) associé à une minuterie (33) connue en soi reçoit un signal de consigne de point de rosée (23) et un signal converti (37) issu d'une sonde au chlorure de lithium (25) et forme à partir de ceux-ci un signal de commande converti en signal pneumatique dans un convertisseur (39), signal amplifié dans un positionneur de vanne (41).
  12. Utilisation de l'installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 11 pour l'humidification contrôlée de l'atmosphère d'H₂N₂ d'un four de décarburation.
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