EP1229138A1 - Perfectionnements apportés aux procédés de chauffage de bandes d'acier dans des fours verticaux - Google Patents

Perfectionnements apportés aux procédés de chauffage de bandes d'acier dans des fours verticaux Download PDF

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EP1229138A1
EP1229138A1 EP02290100A EP02290100A EP1229138A1 EP 1229138 A1 EP1229138 A1 EP 1229138A1 EP 02290100 A EP02290100 A EP 02290100A EP 02290100 A EP02290100 A EP 02290100A EP 1229138 A1 EP1229138 A1 EP 1229138A1
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radiant tubes
radiant
heating
oven
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EP02290100A
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François Mignard
Patrick Dubois
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Fives Stein SA
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Stein Heurtey SA
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    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
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    • C21D9/562—Details

Definitions

  • the present invention relates to improvements made to methods of heating steel strips in vertical ovens and it relates more particularly to vertical heat treatment lines in continuous steel strips, such as annealing or galvanizing lines.
  • the technical problem which the present invention proposes to solve is that of limiting the formation of folds in the heating sections of these vertical treatment lines using radiant tubes.
  • the reference 1 designates the oven according to the technique known in the art. through which the metal strip 3 to be treated moves continuously, this belt passing over designated successive transport or return rollers by reference 2.
  • the strip is heated by radiation using tubes radiant heaters such as 4 which are supplied with combustion air and fuel (generally gas) in generally vertical zones 5.
  • Each zone such as 5 corresponds to a thermal cutting of the oven, which generally does not physically correspond to a specific room of the oven.
  • a zone groups together an inseparable set of radiant tubes 4, equipped with burners having a common fuel and air supply combustion. The heat demand of the oven therefore results in a set point fuel and combustion air flow rate per zone, each zone with its own regulation system. In this operating mode, all burners in the same zone operate identically, being given that they are all powered by the same flow of fuel and air from combustion.
  • the strip 3 is heated on both sides by the radiant tubes located on either side of the pass line, and it changes lines when it passes over each of the deflection rollers or transport such as 2.
  • the heating curve of the strip in the oven is therefore controlled by the indexation of the different zones, for example six indexations when the oven has six zones such as 5.
  • the latter tends to take the form of a "diabolo", which must be avoided at all costs because the tape is then more guided in the center of the roller and is then in an unstable position; he will then difficult to refocus it in the treatment line, even using guide rollers.
  • the rollers are given a domed initial, which is sufficient to maintain a very slight domed after the thermal contraction due to contact of the roller with the strip.
  • the profile of the roller is optimized for a given strip width, especially the flat length of the table. Wider bands will see a large curvature, which is favorable for guidance but unfavorable in terms risk of wrinkles.
  • the present invention has set itself the objective of providing an economical solution and effective at this problem of the formation of folds in the vertical ovens of treatment of steel strips.
  • the invention is not intended to correct the thermal effects of the oven on the transport or return rollers by superimposing actuators but it acts at the source by directly controlling the flow heat emitted by the heating system while retaining the process initial.
  • the invention relates to a method for reducing the folds formed. in heating zones, by radiant tubes, of treatment lines continuous thermal of metal strips, such as annealing lines or of galvanizing, said strips, in said ovens passing on rollers transport and / or return, said process which consists in modifying the state thermal rollers being characterized in that said modification is performed directly by modulating the heating of said radiant tubes located in the vicinity of the rollers, directly controlling the heat flux emitted by the radiant tubes to the rollers.
  • the power is supplied separately and independently in combustion air and fuel each tube radiant and the fuel flow for each radiant tube is continuously adjusted.
  • the method which is the subject of the invention, it is modulates the heating of the radiant tubes so as to reduce or even remove the thermal gradient in the oven, between the lower rollers and the upper rollers of the latter.
  • each radiant tube is provided with a independent fuel and combustion air supply, so to be able to directly control the heat flow emitted by the radiant tubes 4 towards the rollers such as 2.
  • the parts of the oven are maintained located downstream, the highest possible temperature of radiant tubes (greater expansion of the roller on its edges). We will therefore seek to low production, faster temperature rise of the belt (see figure 5).

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Abstract

Procédé de réduction des plis formés dans des zones de chauffage, par tubes radiants, de lignes de traitement thermique en continu de bandes métalliques, telles que des lignes de recuit ou de galvanisation, lesdites bandes, dans lesdits fours passant sur des rouleaux de transport et/ou de renvoi, ledit procédé qui consiste à modifier l'état thermique des rouleaux étant caractérisé en ce que ladite modification est réalisée directement par modulation du chauffage desdits tubes radiants (4) situés au voisinage des rouleaux (2), en contrôlant directement le flux thermique émis par les tubes radiants vers les rouleaux. <IMAGE>

Description

La présente invention a pour objet des perfectionnements apportés aux procédés de chauffage de bandes d'acier dans des fours verticaux et elle concerne plus particulièrement les lignes verticales de traitement thermique en continu de bandes d'acier, telles que les lignes de recuit ou de galvanisation.
Le problème technique que se propose de résoudre la présente invention est celui consistant à limiter la formation de plis dans les sections de chauffage de ces lignes de traitement vertical mettant en oeuvre des tubes radiants.
Afin de bien faire comprendre d'une part le domaine d'application de l'invention et d'autre part le problème technique qu'elle entend résoudre, on rappellera ci-après l'état actuel de la technique dans le domaine des four verticaux en se référant à la figure 1 qui est une représentation schématique d'un tel four de traitement de bandes.
Sur cette figure, la référence 1 désigne le four selon la technique connue au travers duquel se déplace en continu la bande métallique 3 à traiter, cette bande passant sur des rouleaux de transport ou de renvoi successifs désignés par la référence 2. La bande est chauffée par rayonnement à l'aide de tubes radiants tels que 4 qui sont alimentés en air de combustion et en combustible (généralement du gaz) par zones 5 généralement verticales.
Chaque zone telle que 5 correspond à un découpage thermique du four, qui généralement ne correspond pas physiquement à une chambre spécifique du four. Une zone regroupe un ensemble indissociable de tubes radiants 4, équipés de brûleurs ayant une alimentation commune de combustible et d'air de combustion. La demande calorifique du four se traduit donc par une consigne de débit de combustible et d'air de combustion par zone, chaque zone disposant d'un système de régulation propre. Dans ce mode de fonctionnement, tous les brûleurs d'une même zone fonctionnent de manière identique, étant donné qu'ils sont tous alimentés par le même débit de combustible et d'air de combustion.
Lors de son passage dans le four, la bande 3 est chauffée sur ses deux faces par les tubes radiants situés de part et d'autre de la ligne de passe, et elle change de ligne lorsqu'elle passe sur chacun des rouleaux de renvoi ou de transport tels que 2. La courbe de chauffage de la bande dans le four est donc maítrisée par l'indexation des différentes zones, par exemple six indexations lorsque le four dispose de six zones telles que 5.
Dans l'enceinte du four 1, il existe une différence de température entre la bande 3, qui est froide, et les rouleaux 2, qui sont chauds. Lorsque la bande 3 passe sur les rouleaux 2, elle refroidit ceux-ci par contact, dans une zone qui correspond à sa largeur. Cet effet est bien sûr plus marqué pour les premiers rouleaux. La répartition de température selon l'axe longitudinal du rouleau prend alors la forme d'une cuvette, comme illustré sur la figure 2 des dessins annexés. Il résulte d'une telle répartition de température que la table du rouleau prend une forme identique, sous l'effet de la contraction thermique. La figure 3 représente la variation du diamètre du rouleau sous l'effet de cette contraction thermique le long de l'axe longitudinal du rouleau. Ce dernier tend à prendre la forme d'un « diabolo », ce qu'il faut à tout prix éviter car la bande n'est alors plus guidée au centre du rouleau et est alors en position instable; il sera ensuite difficile de la recentrer dans la ligne de traitement, même en utilisant des rouleaux de guidage. Pour éviter ce phénomène, on donne aux rouleaux un bombé initial, qui est suffisant pour conserver un très léger bombé après la contraction thermique due au contact du rouleau avec la bande.
Lorsque l'on procède à un changement de format de bande, par exemple d'une bande étroite à une bande large, cette dernière va épouser la forme en cuvette du rouleau au lieu de rester plane. Il en résulte un risque de formation de plis appelé communément « heat buckle ».
Par ailleurs, le profil du rouleau est optimisé pour une largeur de bande donnée, en particulier la longueur plate de la table. Les bandes plus larges verront un bombé important, ce qui est favorable au guidage mais défavorable en terme de risque de formation de plis.
Si ces problèmes de plis ne sont pas nouveaux, Ils sont actuellement de plus en plus critiques et fréquents, notamment pour les raisons suivantes :
  • Les formats des bandes à traiter évoluent vers des largeurs croissantes. Les tôles de 2 m de large sont courantes, alors qu'elles dépassaient peu 1,3 à 1,5 m il y a quelques années. Par ailleurs, l'amélioration des propriétés mécaniques finales des aciers permet d'en diminuer l'épaisseur, conduisant à une baisse du poids. Globalement le rapport largeur / épaisseur augmente donc sensiblement, d'où une plus grande sensibilité à la formation de plis.
  • De même, l'apparition des nuances modernes d'acier à bas carbone, en particulier la généralisation des aciers sans interstitiels, exige pour ces aciers emboutissables un recuit à plus haute température, à laquelle la limite élastique de la bande sera plus faible. Cette baisse de résistance mécanique accentue encore le risque de formation de plis.
  • L'augmentation des vitesses de ligne rend plus difficile la maítrise du comportement de la bande dans le four.
  • Les exigences de la conduite des lignes de production et l'élargissement du carnet augmente les transitoires en épaisseur et en largeur.
    La maítrise de la planéité de la bande d'acier dans le four exige donc que les rouleaux de transport ou de renvoi présentent une bonne homogénéité longitudinale de température, en régime permanent et surtout au cours des changement de formats de bande. Il existe à l'heure actuelle des solutions pour résoudre ce problème, parmi lesquelles on peut citer les suivante
  • La détection des plis dans le four, associée au ralentissement de la vitesse de ligne. Cette technique présente l'inconvénient d'impliquer une perte de production.
  • L'augmentation de la traction de bande : cette méthode ne conduit qu'à accentuer les défauts de planéité, car la bande risque de se déformer plastiquement.
  • La modification des rouleaux eux-mêmes (par exemple JP-A-04-06733), mais cette technique est très coûteuse et délicate à mettre en oeuvre à grande vitesse.
  • La mise en place d'écrans thermiques, fixes ou mobiles, interposés entre les bords de chaque rouleau et les tubes radiants du four (voir par exemple JP-A-06-228659), avec mise en oeuvre éventuelle d'un rideau de gaz d'atmosphère (JP-A-02-282431) ou d'éléments chauffants (JP-A-63-038532). Cette technique permet certes d'agir sur la thermique du rouleau, mais nécessite la mise en oeuvre d'équipements complexes et relativement coûteux en investissement et en maintenance. En effet, les écrans seuls ne suffisent pas et restent des actionneurs passifs.
Afin d'éviter les inconvénients des procédés selon la technique antérieure, la présente invention s'est fixé pour objectif d'apporter une solution économique et efficace à ce problème de la formation des plis dans les fours verticaux de traitement de bandes d'acier. Prenant le contre-pied des solutions selon l'état antérieur de l'art, l'invention ne vise pas à corriger les effets thermiques du four sur les rouleaux de transport ou de renvoi en superposant des actionneurs supplémentaires, mais elle agit à la source en contrôlant directement le flux thermique émis par le système de chauffage tout en conservant le procédé initial.
En conséquence, l'invention concerne un procédé de réduction des plis formés dans des zones de chauffage, par tubes radiants, de lignes de traitement thermique en continu de bandes métalliques, telles que des lignes de recuit ou de galvanisation, lesdites bandes, dans lesdits fours passant sur des rouleaux de transport et/ou de renvoi, ledit procédé qui consiste à modifier l'état thermique des rouleaux étant caractérisé en ce que ladite modification est réalisée directement par modulation du chauffage desdits tubes radiants situés au voisinage des rouleaux, en contrôlant directement le flux thermique émis par les tubes radiants vers les rouleaux.
Selon un mode de mise en oeuvre de ce procédé, on alimente séparément et de façon indépendante en air de combustion et en combustible chaque tube radiant et on règle en continu le débit de combustible pour chaque tube radiant.
Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, on réalise la modulation du chauffage des tubes radiants de façon à réduire, voire supprimer le gradient thermique dans le four, entre les rouleaux inférieurs et les rouleaux supérieurs de ce dernier.
Selon l'invention, on peut prévoir en outre une gestion programmée des courbes de chauffe de la bande adaptée aux formats de bandes et aux cycles thermiques en régime établi lors des phases transitoires.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de mise en oeuvre dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins :
  • la figure 1 est une représentation schématique d'un four selon la technique connue décrite ci-dessus ;
  • la figure 2 représente la répartition de température selon l'axe longitudinal du rouleau dans un four selon la figure 1 ;
  • la figure 3 représente la variation du diamètre du rouleau selon son axe longitudinal, dans un four selon la figure 1 ;
  • la figure 4 est une représentation schématique d'un four mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention et
  • la figure 5 représente les courbes de montée en température de la bande le long du four, d'une part pour une basse production (bande étroite) et d'autre part pour une haute production (bande large).
En se référant à la figure 4 qui représente un four 1 mettant en oeuvre le procédé de l'invention, on voit que la bande 3 circule en continu au travers du four en passant sur des rouleaux de transport ou de renvoi tels que 2 et qu'elle est chauffée par des tubes radiants schématisés en 4. Selon une caractéristique de la présente invention, chaque tube radiant est muni d'une alimentation en combustible et en air de combustion indépendante, de manière à pouvoir contrôler directement le flux thermique émis par les tubes radiants 4 vers le rouleaux tels que 2. Ainsi selon le procédé de l'invention, on contrôle séparément le flux thermique émis par les tubes radiants, et non par zones comme c'est le cas dans la technique antérieure discutée ci-dessus et illustrée par la figure 1.
Pour des raisons de coût de mise en oeuvre, il n'est pas indispensable de régler en continu le débit de combustible pour chaque tube radiant, un fonctionnement du type « tout ou rien » pouvant être parfaitement adapté pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
A titre d'illustration, on a donné ci-après divers exemples de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Il est bien entendu qu'il ne s'agit que d'exemples n'ayant aucun caractère limitatif.
Exemple 1
Afin de faciliter une transition de largeur de bandes du type étroit vers le type large, on arrête de façon anticipée certains tubes radiants, en particulier ceux proches des rouleaux, et uniquement ceux-là ou certains d'entre eux. Ce mode de mise en oeuvre permet de limiter le bombé thermique global du rouleau.
Exemple 2
Pour éviter la formation de plis sur une bande large, il est important de conserver un profil de rouleau le plus plat possible là ou la bande est la plus chaude. Selon la présente invention, on maintient, dans les parties du four situées en aval, une température de tubes radiants la plus élevée possible (expansion plus importante du rouleau sur ses bords). On cherchera donc, à basse production, une montée en température de la bande plus rapide (voir la figure 5).
Exemple 3
Pour éviter les déports de bande sur les bandes étroites, on accentue, selon l'invention, le bombé du rouleau en maintenant une température de tubes radiants basse (ou en interrompant l'alimentation de ces tubes) là où les profils de rouleau sont les plus plats.
Exemple 4
Dans les transitions on peut, selon l'invention, par anticipation refroidir certains tubes radiants, et pas d'autres, en laissant la vanne d'air ouverte (régulation chaud-froid).
Les avantages apportés par la présente invention sont notamment les suivants :
  • Diminution des risques de formation de plis, en particulier lors des transitions de largeur.
  • Possibilité de moduler la courbe d'échauffement de la bande, en tenant compte des limitations dues aux plis en sus des limitations habituelles dues au transfert thermique vers la bande.
  • Possibilité de supprimer le gradient thermique dans le four ; en effet il est bien connu que la partie supérieure du four est plus chaude que sa partie inférieure, de par la convection favorisant un effet de cheminée. Il résulte de la suppression du gradient thermique, une limitation des contraintes thermiques subies par les rouleaux supérieurs et des contraintes thermomécaniques subies par la bande au contact des rouleaux.
  • Gain de souplesse de programmation de la ligne, grâce au meilleur passage des transitoires.
  • Gain de productivité de la ligne.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes.

Claims (8)

  1. Procédé de réduction des plis formés dans des zones de chauffage, par tubes radiants, de lignes de traitement thermique en continu de bandes métalliques, telles que des lignes de recuit ou de galvanisation, lesdites bandes, dans lesdits fours passant sur des rouleaux de transport et/ou de renvoi, ledit procédé qui consiste à modifier l'état thermique des rouleaux étant caractérisé en ce que ladite modification est réalisée directement par modulation du chauffage desdits tubes radiants (4) situés au voisinage des rouleaux (2), en contrôlant directement le flux thermique émis par les tubes radiants vers les rouleaux.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on alimente séparément et de façon indépendante en air de combustion et en combustible chaque tube radiant et on règle en continu le débit de combustible pour chaque tube radiant.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on arrête, de façon anticipée, les tubes radiants proches des rouleaux afin de faciliter une transition de largeur de bandes du type étroit vers le type large.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas de bandes larges, on maintient dans les parties du four situées en aval, une température de tubes radiants la plus élevée possible.
  5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas de bandes étroites, on maintient une température de tubes radiants basse.
  6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait fonctionner en tout ou rien certains tubes radiants.
  7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation du chauffage des tubes radiants est réalisée de façon à réduire, voire supprimer, le gradient thermique dans le four, entre les rouleaux inférieurs et les rouleaux supérieurs de ce dernier.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une gestion programmée des courbes de chauffage de la bande adaptée aux formats de bandes et aux cycles thermiques, en régime établi ou lors des phases transitoires.
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