FR2824078A1 - Improving the metallurgical qualities of a product during treatment in a furnace using a diode laser to control at least one of the oxidizing species in the furnace atmosphere - Google Patents

Abstract

A method for improving the metallurgical qualities of a product during its treatment in a furnace consists of controlling the concentration of at least one of the oxidizing species O2, H2O and/or CO2 of the furnace atmosphere using a diode laser beam which crosses the furnace in a manner to measure in real time the concentration of at least one of the species and to allow the modification of the injection rates of the combustible and/or the combustive of at least one burner and thus modify the oxygen concentration in the measuring zone.

Description

valeur de référence, de préférence entre 7 et 15% de sa valeur dereference value, preferably between 7 and 15% of its value of

référence.reference.

1 28240781 2824078

L'invention concerne un procédé pour améliorer la qualité métallurgique de produits traités dans un four et notamment un four de réchauffage. Cette invention s'applique à tout type de produit mais plus particulièrement aux produits traités dans un four de réchauffage tel que, par exemple, des billettes, des ébauches ou des brames ou tout autre matériau utilisé par les sidérurgistes dans leur ligne de production (telles que les tôles,  The invention relates to a method for improving the metallurgical quality of products treated in an oven and in particular a reheating oven. This invention applies to any type of product but more particularly to products treated in a reheating oven such as, for example, billets, blanks or slabs or any other material used by steelmakers in their production line (such that the sheets,

les tubes, etc.).tubes, etc.).

L'environnement d'un acier (ou tout autre produit, notamment un produit métallique ou sidérurgique), lorsqu'il est porté à une température élevée lors d'un traitement thermique, est souvent une atmosphère oxydante vis-àvis du métal. Cette situation peut conduire, d'une part, à l'oxydation du métal avec formation d'une couche superficielle de calamine et, d'autre part, à une décarburation de l'acier avec création d'un gradient de teneur en  The environment of a steel (or any other product, in particular a metal or steel product), when it is brought to a high temperature during a heat treatment, is often an oxidizing atmosphere with respect to the metal. This situation can lead, on the one hand, to the oxidation of the metal with the formation of a surface layer of scale and, on the other hand, to a decarburization of the steel with creation of a gradient of content in

carbone au voisinage de la surface de la pièce.  carbon near the surface of the part.

La zone altérée à la surface de ces pièces se compose essentiellement de deux parties (voir Fig 1), I'une située du côté de l'atmosphère (calamine supérieure), et l'autre au voisinage du métal ( zone mixte). La partie supérieure comporte généralement trois couches compactes d'oxydes: une couche d'oxydes Fe2O (hématite), très mince (quelques microns d'épaisseur) , une couche de magnétite (Fe3O4) (4% de la calamine totale environ) et une couche d'oxyde épaisse FeO (wustite) (95% de la calamine totale environ) plus ou moins poreuse selon la durée et la  The altered zone on the surface of these parts essentially consists of two parts (see Fig 1), one located on the side of the atmosphere (upper scale), and the other near the metal (mixed zone). The upper part generally comprises three compact layers of oxides: a layer of Fe2O (hematite) oxides, very thin (a few microns thick), a layer of magnetite (Fe3O4) (approximately 4% of total calamine) and a thick oxide layer FeO (wustite) (95% of total scale approximately) more or less porous depending on the duration and

température du réchauffage.reheating temperature.

La croissance de cette calamine, qui adopte une allure parabolique, est contrôlée par la diffusion des ions Fe2+ dans la wustite et la magnétite, et  The growth of this scale, which takes on a parabolic shape, is controlled by the diffusion of Fe2 + ions in wustite and magnetite, and

par la diffusion de l'oxygène o2- dans l'hématite.  by the diffusion of oxygen o2- in hematite.

La partie inférieure, zone mixte, est plus ou moins grande selon la nature de l'acier. Elle est située à l'interface métal/calamine, constituée d'un mélange  The lower part, mixed zone, is more or less large depending on the nature of the steel. It is located at the metal / scale interface, consisting of a mixture

2 28240782 2824078

FeO et des produits de réaction de FeO avec les oxydes de certains éléments d'alliage. Cette partie inférieure comporte également une zone de métal altérée par divers phénomènes comme la décarburation ou l'ox, vdation interne. La décarburation est un phénomène de diffusion à l'état solide du carbone qui réagit avec la calamine FeO (et/ou H20). La perméabilité de la calamine industrielle aux produits gazeux de l'oxydation du carbone (notamment le CO) rend cette oxydation pratiquement immédiate à la surface du métal. La décarburation est donc limitée par la diffusion du carbone à la température du traitement et est favorisée par l'aptitude des gaz formés (CO)  FeO and reaction products of FeO with the oxides of certain alloying elements. This lower part also includes a metal zone altered by various phenomena such as decarburization or ox, internal vdation. Decarburization is a solid state diffusion phenomenon of carbon which reacts with calamine FeO (and / or H2O). The permeability of industrial scale to gaseous products of carbon oxidation (especially CO) makes this oxidation practically immediate on the surface of the metal. Decarburization is therefore limited by the diffusion of carbon at the treatment temperature and is favored by the ability of the gases formed (CO)

à s'échapper de l'interface calamine-acier.  to escape from the scale-steel interface.

Selon le profil thermique imposé et la composition de l'atmosphère (notamment la teneur en 02, H20, CO2), les produits sidérurgiques peuvent être oxydés (calamine) et décarburés (et ce d'autant plus pour les aciers à haut carbone). Dans les deux cas, le sidérurgiste devra faire subir à ses pièces une opération supplémentaire visant à s'affranchir de ces défauts de surface. Alors que la couche d'oxyde peut être enlevée par différentes techniques de décalaminage, la couche de décarburation, qui fait partie intégrante de la pièce, ne peut pas être aisément a gommée ": la surface du produit est démunie d'une partie de ses atomes de carbone, ce qui engendre une perte des propriétés mécaniques en surface du produit (longévité, dureté ..). L'oxydation ou la décarburation de l'acier en four de récnaunage entrane ainsi une perte de matière première qu'on appelle perte au feu et une dégradation des propriétés de surface de produits qui sont préjudiciables  According to the imposed thermal profile and the composition of the atmosphere (in particular the content of 02, H20, CO2), steel products can be oxidized (scale) and decarburized (and even more so for high carbon steels). In both cases, the steelmaker must subject his parts to an additional operation aimed at overcoming these surface defects. While the oxide layer can be removed by different descaling techniques, the decarburization layer, which is an integral part of the part, cannot be easily erased ": the surface of the product is stripped of part of its carbon atoms, which leads to a loss of mechanical properties at the surface of the product (longevity, hardness, etc.). The oxidation or decarburization of steel in a recovery furnace thus leads to a loss of raw material called loss fire and deterioration of the surface properties of products which are harmful

au sidérurgiste.to the steelmaker.

Une contrainte importante qui va également influencer la qualité finale du produit à l'issue du procédé de réchauffage est la température finale du produit et de son homogénéité thermique, et ce quel que soit l'historique de la chauffe ayant eu lieu dans le four (temps passé à certains niveaux de température, ralentissement de la cadence suite à un incident laminoir 3 4  An important constraint which will also influence the final quality of the product at the end of the reheating process is the final temperature of the product and its thermal homogeneity, regardless of the history of the heating that took place in the oven ( time spent at certain temperature levels, slowing down of the rate following a rolling mill incident 3 4

3 28240783 2824078

etc...),. Tout défaut d'homogénéité thermique entranera des défauts de structure et a posteriori des fragilités mécaniques des produits finis. Ces défauts peuvent également provoquer des arrêts voire des casses de  etc ...) ,. Any lack of thermal uniformity will cause structural defects and a posteriori mechanical fragility of the finished products. These faults can also cause stops or even breakage of

certaines parties du laminoir (notamment des cages de laminoir).  certain parts of the rolling mill (notably rolling mill stands).

Toute optimisation de la qualité métallurgique du produit devra respecter cette contrainte sur l'homogénéité thermique du produit. Lors de la conduite du four par l'opérateur, le contrôle et le respect de la montée en température du produit vont être déterminant pour assurer au final le respect  Any optimization of the metallurgical quality of the product must respect this constraint on the thermal homogeneity of the product. When the oven is operated by the operator, control and compliance with the rise in temperature of the product will be decisive to ultimately ensure compliance

de la contrainte sur l'homogénéité thermique.  of the constraint on thermal homogeneity.

Il est connu de l'homme de métier que pour éviter la décarburation et l'oxydation, il est recommandé de travailler sous atmosphère protectrice par combustion sous-st_chiométrique (mélange riche en combustible engendrant une atmosphère neutre, voire réductrice pour l'acier). Cette méthode est mise en _uvre dans les procédés de galvanisation ( voir par exemple Galvanisation et aluminiage en continu, E. Buscarlet, Technique de  It is known to those skilled in the art that to avoid decarburization and oxidation, it is recommended to work in a protective atmosphere by sub-chiometric combustion (mixture rich in fuel generating a neutral or even reducing atmosphere for the steel). This method is used in galvanizing processes (see for example continuous galvanizing and aluminizing, E. Buscarlet, Technique de

l'ingénieur, 1996).engineer, 1996).

Il est également connu de US-A-4,415,415 de traiter les produits dans une atmosphère contenant au moins 3% d'oxygène en volume, et ce sur toute la longueur du four, ce qui entrane inexorablement la formation de calamine mais qui permet de contrôler la qualité de calamine qui devient dans ces  It is also known from US Pat. No. 4,415,415 to treat the products in an atmosphere containing at least 3% oxygen by volume, and this over the entire length of the oven, which inexorably causes the formation of scale but which makes it possible to control the quality of scale which becomes in these

conditions non adhérente et qui s' élimine facilement.  conditions not adherent and which is easily eliminated.

Le brevet EP-A-0767353 propose également d'intervenir sur l'atmosphère du four en pratiquant un zonage du four, c'est à dire en isolant le four en plusieurs enceintes au sein desquelles une atmosphère fortement oxydante est préconisée afin de pouvoir contrôler formation et qualité de la calamine. Dans ce cas, la perte au feu n'est pas diminuée mais au contraire  Patent EP-A-0767353 also proposes to intervene on the atmosphere of the oven by practicing a zoning of the oven, that is to say by isolating the oven in several enclosures within which a strongly oxidizing atmosphere is recommended in order to be able to control calamine formation and quality. In this case, the loss on ignition is not reduced but on the contrary

augmentée, seul un contrôle de la qualité de calamine est assuré.  increased, only calamine quality control is ensured.

4 28240784 2824078

Les différentes méthodes connues de l'art antérieur suggèrent donc de traiter les produits soit dans une atmosphère ox,vdante, soit dans une  The various methods known from the prior art therefore suggest treating the products either in an ox, vdante atmosphere, or in a

atmosphère réductrice.reducing atmosphere.

La mise en _uvre de ces différentes méthodes présente en outre un inconvénient supplémentaire pour le traitement de produits sidérurgiques. En effet, il est important de pouvoir mesurer le caractère oxydant ou réducteur des atmosphères mises en jeu. La seule information disponible lors de la mise en _uvre de ces procèdés est fournie par des sondes de mesure situées, soit dans la voûte c'est à dire loin de la surface des produits, soit dans la cheminée du four. Ces mesures ne sont donc pas représentatives de la composition de l'atmosphère qui interagit directement avec le produit. En général, le seul paramètre mesurable de l'atmosphère est la teneur en ox,vgène. Cette information est généralement insuffisante: en effet, ce n'est pas parce que la quantité d'oxygène dans les fumées qui sortent du four est nulle que 1'atmosphère du four au contact des pièces métalliques est nécessairement réductrice pour l'acier (voir par exemple, Combustion Engineering and Gas Utilisation, Ed. British Gas, 1992, page 23). Les espèces H2O et CO2 ont aussi selon la Demanderesse un rôle d'ox,vdant sur la charge et interviennent dans les réactions de formation de calamine et dans les mécanismes de décarburation. A l'heure actuelle, on ne sait pas mesurer ces  The implementation of these different methods also presents an additional disadvantage for the treatment of steel products. Indeed, it is important to be able to measure the oxidizing or reducing character of the atmospheres involved. The only information available during the implementation of these processes is provided by measuring probes located either in the vault it is say away from the surface of the products, either in the oven chimney. These measurements are therefore not representative of the composition of the atmosphere which interacts directly with the product. In general, the only measurable parameter of the atmosphere is the content of ox, vgene. This information is generally insufficient: in fact, it is not because the quantity of oxygen in the fumes leaving the furnace is zero that the atmosphere of the furnace in contact with metallic parts is necessarily reducing for steel (see for example, Combustion Engineering and Gas Usage, Ed. British Gas, 1992, page 23). The H2O and CO2 species also have, according to the Applicant, an ox role, acting on the charge and are involved in the reactions for the formation of scale and in the decarburization mechanisms. At present, we do not know how to measure these

espèces de façon simple et rapide.  cash quickly and easily.

Pour effectuer la conduite du four et respecter la contrainte finale de I'homogénéité thermique du produit, I'opérateur suit un profil initial de température du produit donné pour un four donné, en fonction du t,vpe de charge et de production. Ce profil est soit connu de l'opérateur grâce à son savoir faire, soit calculé à partir d'abaques, soit encore calculé à l'aide d'un  To carry out the operation of the oven and to respect the final constraint of the thermal homogeneity of the product, the operator follows an initial temperature profile of the given product for a given oven, as a function of the load and production t, vpe. This profile is either known to the operator thanks to its know-how, or calculated from abacuses, or even calculated using a

logiciel adapté.suitable software.

Les seules informations disponibles pour l'opérateur et/ou les logiciels de conduite de four, sont les mesures délivrées par un ou plusieurs thermocouples situés dans la voûte du four. Ces thermocouples sont i disposés loin de la charge et ne sont pas représentatifs du flux thermique reçu par la charge, sous les braleurs. Une estimation de la relation reliant la température de voûte (mesurée) et la température de la charge (information utile) est donc nécessaire. Cette relation est soit empirique (basé sur le savoir faire des opérateurs) soit calculée par les logiciels de conduite de four. Non seulement, cette mesure n'est qu'une mesure indirecte de l'information nécessaire, mais la relation estimée peut se révéler de plus en plus inexacte lors du vieillissement du four, des caractéristiques thermiques  The only information available to the operator and / or the oven control software is the measurements delivered by one or more thermocouples located in the roof of the oven. These thermocouples are i placed far from the load and are not representative of the heat flux received by the load, under the braleurs. It is therefore necessary to estimate the relationship between the vault temperature (measured) and the temperature of the load (useful information). This relationship is either empirical (based on operator know-how) or calculated by oven control software. Not only is this measurement only an indirect measure of the information needed, but the estimated relationship may prove increasingly inaccurate during aging of the oven, thermal characteristics

des différentes charges et de la variation du type de combustible utilisé.  different charges and the variation of the type of fuel used.

Enfin, cette mesure est une mesure ponctuelle habituellement située sur l'axe du four et qui ne rend pas compte des éventuelles variations dudit  Finally, this measurement is a point measurement usually located on the axis of the oven and which does not account for any variations of said

paramètre sur toute la largeur du four.  parameter across the entire width of the oven.

Le fait de ne pas disposer de mesures au plus près du produit a pour conséquence une connaissance inexacte des temps A' et 2 tels que définis ci-après. Ces temps étant intimement liés aux phénomènes de calamine et de décarburation, une estimation incorrecte de ces temps peut avoir des  Failure to have measurements as close as possible to the product results in inaccurate knowledge of times A 'and 2 as defined below. These times being intimately linked to the phenomena of scale and decarburization, an incorrect estimate of these times can have

conséquences graves sur la qualité finale métallurgique du produit.  serious consequences on the final metallurgical quality of the product.

Le but de la présente invention est un procédé de conduite d'un four (température, composition de l'atmosphère) et un procédé de contrôle associé, permettant d'optimiser à la fois la qualité métallurgique d'un produit, la perte au feu et le rendement thermique d'un four Le procédé selon l'invention permet d'éviter les inconvénients précités et de remplir le but visé ci-dessus. L'invention permet une optimisation de la qualité métallurgique des produits grâce à l'optimisation du profil de chauffe dans le four et un contrôle amélioré du profil de la composition de l'atmosphère du four. Ce contrôle suit de manière continue les teneurs en O2 eVou H20 etiou CO2 de l'atmosphère dans les différentes zones du four, et/ou la température à la surface des produits à traiter, sera réalisé -  The object of the present invention is a process for operating an oven (temperature, composition of the atmosphere) and an associated control process, making it possible to optimize both the metallurgical quality of a product, the loss on ignition and the thermal efficiency of an oven The process according to the invention makes it possible to avoid the abovementioned drawbacks and to fulfill the aim set out above. The invention allows an optimization of the metallurgical quality of the products thanks to the optimization of the heating profile in the oven and an improved control of the profile of the composition of the atmosphere of the oven. This control continuously monitors the levels of O2 eVou H20 and CO2 in the atmosphere in the various zones of the oven, and / or the temperature at the surface of the products to be treated, will be carried out -

6 28240786 2824078

préférentiellement à l'aide d'une diode laser. Ce système de diode laser appelé TDL pour " Tunable Diode Laser " en anglais) permet en effet de mesurer la moyenne des concentrations d'espèces gazeuses sur la longueur du chemin optique du faisceau laser. Pour plus de détails sur les diode laser et en particulier les diode laser de type TDL, on pourra se reporter à l'article de Mark G. Allen intitulé a Diode Laser Absorption Sensors for Gas Dynamic and Combustion Flows ", Mes. Sci. Technology, 9, 1998, pages 545 à 562, et incorporé dans le présent texte à titre de référence. D'une manière générale, ces diodes laser sont des sources de rayonnement laser dont certaines opèrent à température ambiante alors que d'autres doivent être refroidies. Le faisceau laser émis est en générale ajustable dans un domaine de longueur d'ondes en faisant varier le courant d'injection dans la source laser. Il suffit alors de choisir des sources de faisceau laser ajustables dans des domaines de long ueu rs d'ondes qui correspondent à l' une au moi ns d es raies  preferably using a laser diode. This laser diode system called TDL ("Tunable Diode Laser" in English) makes it possible to measure the average of the concentrations of gaseous species over the length of the optical path of the laser beam. For more details on the laser diode and in particular the laser diode of the TDL type, one can refer to the article by Mark G. Allen entitled a Diode Laser Absorption Sensors for Gas Dynamic and Combustion Flows ", Mes. Sci. Technology , 9, 1998, pages 545 to 562, and incorporated in the present text for reference. In general, these laser diodes are sources of laser radiation, some of which operate at room temperature while others have to be cooled. The emitted laser beam is generally adjustable in a wavelength range by varying the injection current in the laser source, then it suffices to choose adjustable laser beam sources in long ranges. waves which correspond to one to me ns of the lines

caractéristiques du spectre d'absorption de l'espèce que l'on veut détecter.  characteristics of the absorption spectrum of the species to be detected.

La diode laser sera de préférence placée à proximité de la surface des produits, à une distance variant entre 1mm et 15cm, préférentiellement entre 2cm et 6cm. C'est aux environs de la surface du produit que les valeurs de pressions partielles en O2, H2O et CO2 ainsi de la température interviennent dans les mécanismes décrits plus haut: calamine et décarburation. Ce contrôle au plus près de la surface permet également le développement  The laser diode will preferably be placed near the surface of the products, at a distance varying between 1mm and 15cm, preferably between 2cm and 6cm. It is around the surface of the product that the partial pressure values of O2, H2O and CO2, as well as of the temperature, intervene in the mechanisms described above: scale and decarburization. This control as close to the surface also allows development

d'outils prédictifs et la bonne mise en _uvre de la méthode proposée.  predictive tools and the proper implementation of the proposed method.

< L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatifs, conjointement avec les figures, qui représentent: La figure 2 décrit une courbe caractéristique d'évolution de la températu re d u prod u it en fonction d u temps, contrôlée selo n le procédé de I'invention.  <The invention will be better understood with the aid of the following embodiments, given without limitation, together with the figures, which represent: FIG. 2 describes a characteristic curve of evolution of the temperature of the product in function of time, controlled according to the process of the invention.

La figure 3, décrit l'application de l'invention au four de réchauffuge.  FIG. 3 describes the application of the invention to the reheating furnace.

3 L3 L

7 28240787 2824078

La figure 4, décrit le contrôle de la montée en température du produit,  FIG. 4 describes the control of the rise in temperature of the product,

selon l'invention.according to the invention.

La figure 5, décrit une courbe de température dans un four de  FIG. 5 describes a temperature curve in a furnace of

réchauffage en fonction du temps.reheating as a function of time.

La figure 6, une courbe de variation de la quantité de calamine en  Figure 6, a curve of variation of the quantity of carbon in

fonction du temps.function of time.

La figure 7, un autre exemple d'une courbe de variation de la quantité  Figure 7, another example of a quantity variation curve

de la calamine en fonction du temps.  of scale as a function of time.

Sur la Fig. 2, la courbe (21) représente la courbe de chauffe du produit, par exemple la température de peau d'une billette en four de réchauffage. Selon cette courbe, on peut définir un temps A, correspondant au temps que passe la surface du produit entre 700 C et 800 C. On peut également définir un temps 2 correspondant au temps passé par la surface  In Fig. 2, the curve (21) represents the heating curve of the product, for example the skin temperature of a billet in a reheating oven. According to this curve, we can define a time A, corresponding to the time spent by the product surface between 700 C and 800 C. We can also define a time 2 corresponding to the time spent by the surface

du produit entre 700 C et la température finale.  of the product between 700 C and the final temperature.

Le procédé selon l'invention (voir ci-après) permet de réduire le temps A, entre 15 et 50% de sa valeur de référence et de manière préférentielle entre 20 et 35% de sa valeur de référence. Ceci permet de diminuer l'épaisseur de la couche décarburée d'au moins 20% selon la teneur en éléments d'alliage et spécifiquement la teneur en carbone, par rapport au procédé de l'art antérieur utilisant soit la conduite empirique du four par un homme de métier expérimenté soit la conduite du four par des abaques de  The method according to the invention (see below) makes it possible to reduce the time A, between 15 and 50% of its reference value and preferably between 20 and 35% of its reference value. This makes it possible to reduce the thickness of the decarburized layer by at least 20% depending on the content of alloying elements and specifically the carbon content, compared to the process of the prior art using either the empirical control of the furnace by a experienced tradesman either driving the furnace by abacuses of

température ou un logiciel adapté.  temperature or suitable software.

De la méme façon, I' invention permet la réduction d u temps 2 entre 3 et 25% de sa valeur de référence et de manière préférentielle entre 7 et 15% de sa valeur de référence. Ceci permet de diminuer la masse de la calamine  Likewise, the invention allows the reduction of time 2 between 3 and 25% of its reference value and preferably between 7 and 15% of its reference value. This reduces the mass of the scale

entre 5 et 30% selon la nature de l'acier.  between 5 and 30% depending on the nature of the steel.

Cette réduction des temps A, et 2 est réalisée, selon l'invention, en augmentant l'énergie transférée pendant toute la durée de son séjour dans le  This reduction in times A, and 2 is achieved, according to the invention, by increasing the energy transferred during the entire duration of its stay in the

8 28240788 2824078

four. Cela peut être réalisé en augmentant l'énergie disponible (ajout d'une source d'énergie, par des brûleurs à flamme nue, des tubes radiants ou encore des résistances électriques ou du chauffage par induction) ou en augmentant le rendement de l'énergie disponible (enrichissement de l'air de combustion par de l'oxygène par exemple, jusqu'à 100% de pureté), de préférence au-delà de 90% 02 vol. La réduction maximum de 2 est fixée par le respect de la contrainte d' homogénéité thermique du prod uit en sortie de four, el le-même gouvernée  oven. This can be achieved by increasing the available energy (adding an energy source, by open flame burners, radiant tubes or even electric resistances or induction heating) or by increasing the energy efficiency available (enrichment of combustion air with oxygen for example, up to 100% purity), preferably above 90% 02 vol. The maximum reduction of 2 is fixed by respecting the thermal homogeneity constraint of the product at the outlet of the oven, and the same governed

par la conduction thermique au sein du produit.  by thermal conduction within the product.

Par rapport à une situation de référence donnée (four donné, production horaire donc vitesse de défilement des produits donnés), la réduction des temps A' et 2 correspond soit à un raccourcissement du four,  Compared to a given reference situation (given oven, hourly production, therefore running speed of the given products), the reduction in times A 'and 2 corresponds either to a shortening of the oven,

soit à une accélération de la vitesse de défilement des produits.  or an acceleration of the speed of movement of the products.

Un deuxième aspect de l'invention consiste à contrôler le profil de compositions des espèces de l'atmosphère dans le four et tout au long de la  A second aspect of the invention consists in controlling the composition profile of the species of the atmosphere in the furnace and throughout the

traversée du four par le produit.the product passes through the oven.

En effet, la composition de l'atmosphère, c'est à dire notamment la teneur en éléments oxydants dans l'atmosphère (02, H2O, CO2) est un paramètre qui intervient dans la qualité métallurgique du produit. Ainsi, pour un profil thermique donné, on peut optimiser la qualité du produit en t maintenant une teneur en oxygène plus ou moins élevée selon la zone du  Indeed, the composition of the atmosphere, that is to say in particular the content of oxidizing elements in the atmosphere (02, H2O, CO2) is a parameter which intervenes in the metallurgical quality of the product. Thus, for a given thermal profile, the quality of the product can be optimized by t maintaining a higher or lower oxygen content depending on the zone of the product.

four dans laquelle on se situera.oven in which we will be located.

Sur la Fig. 3 qui représente un four de réchauffage, le sens de circulation des produits (35) ainsi que celui des fumées est indiqué. La  In Fig. 3 which represents a reheating oven, the direction of circulation of the products (35) as well as that of the fumes is indicated. The

co u rbe (30) représente la courbe de montée en température d u prod uit.  co u rbe (30) represents the temperature rise curve of the product.

Lors de sa circulation dans le four de réchauffage, la charge (35) subit une première montée en température dans la zone (32). Ensuite, les  During its circulation in the reheating furnace, the load (35) undergoes a first temperature rise in the zone (32). Then the

3 d-3 d-

9 28240739 2824073

températures atteignent une température Técab. Cette température est typiquement de 700 C pour les aciers et la décarburation sera d'autant plus  temperatures reach a Tecab temperature. This temperature is typically 700 C for steels and the decarburization will be all the more

sensible à cette température que la teneur de l'acier en carbone est élevée.  sensitive to this temperature as the carbon steel content is high.

Au-delà de TCarb, et en présence d'espèces oxydantes, les réactions de décarburation et de formation de calamine s'accélèrent: la température à laquelle la formation de calamine devient effective est d'environ 800 C pour les aciers. Le produit traverse la zone (33) puis entre dans la zone d'égalisation (34) quand il est à la température Tégajsajon (typiquement 1 1 00 C). Cette zone à très haute température amène le produit à sa température finale (Tfina, typiquement 1200 C) et est particulièrement critique  Beyond TCarb, and in the presence of oxidizing species, the decarburization and scale formation reactions accelerate: the temperature at which scale formation becomes effective is around 800 C for steels. The product crosses the zone (33) then enters the equalization zone (34) when it is at the temperature Tégajsajon (typically 1 1 00 C). This very high temperature zone brings the product to its final temperature (Tfina, typically 1200 C) and is particularly critical

pour la formation de calamine.for calamine formation.

Trois accès pour l'installation d'une diode laser sont prévus sur ce four. L'accès (36) est situé dans la zone d'égalisation (34), I'accès (37) est situé dans la zone de chauffe (33), I'accès (38) est situé dans la zone (32) qui contient la zone dite de récupération tandis que l'accès (39) est situé dans la  Three accesses for the installation of a laser diode are provided on this oven. The access (36) is located in the equalization zone (34), the access (37) is located in the heating zone (33), the access (38) is located in the zone (32) which contains the so-called recovery zone while the access (39) is located in the

cheminée (31).fireplace (31).

Selon l'invention, la mesure de la concentration des espèces oxydantes est effectuée par les accès (36), (37), (38), (39), chaque accès recevant un faisceau laser (via une fibre optique) ou un émetteur de faisceau laser, un récepteur étant prévu sur la paroi opposé du four (ou bien un miroir qui renvoit le faisceau parallèlement au faisceau incident, le récepteur étant  According to the invention, the measurement of the concentration of the oxidizing species is carried out by the ports (36), (37), (38), (39), each port receiving a laser beam (via an optical fiber) or a transmitter. laser beam, a receiver being provided on the opposite wall of the oven (or a mirror which returns the beam parallel to the incident beam, the receiver being

placé à côté de l'émetteur).placed next to the transmitter).

Dans la zone (32) (température inférieure à TeCa), les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (32) devront être réglés, selon l'invention, de manière à engendrer une teneur en oxgène dans l'atmosphère dans cette zone (32), mesurée par la diode laser correspondante, entre 0.5% et 4% en volume et de manière prétérentielle  In zone (32) (temperature below TeCa), the fuel and oxidant flow rates of the burners in zone (32) must be adjusted, according to the invention, so as to generate an oxygen content in the atmosphere in this area (32), measured by the corresponding laser diode, between 0.5% and 4% by volume and in a pre-preferential manner

entre 2 et 3%.between 2 and 3%.

28240782824078

Dans le cas o la zone (32) d'égalisation n'est pas équipée de brûleurs, cette correction peut se faire par l'ajout de comburant par des lances, par exemple des lances à oxygène, la quantité injectée étant  In the case where the equalization zone (32) is not equipped with burners, this correction can be done by adding oxidizer by lances, for example oxygen lances, the quantity injected being

contrôlée par la mesure de teneur en oxygène de la diode laser.  controlled by measuring the oxygen content of the laser diode.

La mesure est effectuée de préférence soit au plus près du produit, dans cette zone (32) par l'accés (38), soit par l'accès (39), c'est à dire dans le conduit d'évacuation des fumées o la même teneur en oxygène va être contrôlée. Si la mesure montre un défaut d'ox,vgène, la réqulation des brûleurs devra corriger ce défaut et augmenter le débit de comburant  The measurement is preferably carried out either as close as possible to the product, in this zone (32) by the access (38), or by the access (39), that is to say in the smoke evacuation duct o the same oxygen content will be checked. If the measurement shows an ox, vgene defect, the equation of the burners must correct this defect and increase the oxidizer flow.

(oxygène) aux brûleurs de la zone (32) ou de la zone précédente.  (oxygen) to the burners in zone (32) or the previous zone.

Dans la zone (32), une couche protectrice de Fe2O3 et Fe3O4 sera formée et renforcée par la présence d'oxygène résiduel dans les fumées. Ces oxydes seront formés au détriment des ox,vdes plus plastiques comme FeO  In zone (32), a protective layer of Fe2O3 and Fe3O4 will be formed and reinforced by the presence of residual oxygen in the fumes. These oxides will be formed at the expense of the more plastic oxides, such as FeO

ou FeSiO4, qui conduisent dans ce cas à une forte adhérence de la calamine.  or FeSiO4, which in this case lead to strong adhesion of the scale.

De plus, à faible température, le régime protecteur (stade parabolique de l 'oxydati on) s'établ it pl us rapidement pour les pressions partiel les d 'oxygène  In addition, at low temperature, the protective regime (parabolic oxidation stage) is established more quickly for partial oxygen pressures.

comprises dans l'intervalle pré-cité (0,5% à 4% vol.).  included in the above-mentioned range (0.5% to 4% vol.).

Dans la zone (33) (température supérieure à Tecarb et inférieure à Tégajsajon), les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (33) devront être réglés selon l'invention de manière à engendrer une teneur en oxygène dans l'atmosphère voisine de zéro. L'atmosphère sera en défaut d'oxygène, donc en excès de combustible et en particulier de CO. Grâce à la mesure effectuée par l'accès (37), les brûleurs seront réglés de sorte que la concentration en O2 voisine de zéro et la concentration en CO comprise entre 0,1% et 15% de volume et de manière préférentielle entre 1 et 10%. Dans cette zone à plus haute température, on cherche à limiter au maximum la formation de calamine et la décarburation en réduisant la concentration des  In zone (33) (temperature higher than Tecarb and lower than Tégajsajon), the fuel and oxidant flow rates of the burners in zone (33) must be adjusted according to the invention so as to generate an oxygen content in the atmosphere. close to zero. The atmosphere will be lacking in oxygen, therefore in excess of fuel and in particular of CO. Thanks to the measurement made by the access (37), the burners will be adjusted so that the O2 concentration is close to zero and the CO concentration between 0.1% and 15% by volume and preferably between 1 and 10%. In this higher temperature zone, it is sought to limit as much as possible the formation of scale and decarburization by reducing the concentration of

espèces oxydantes (O2, CO2, H2O).oxidizing species (O2, CO2, H2O).

T ' Dans la zone (34) (température supérieure à Tégajsajor')' les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (34) devront être réglés selon l'invention de manière à engendrer une teneur en oxygène dans l'atmosphère comprise entre 0.5% et 5% vol. et de manière préférentielle entre 1.5 et 4% vol.. La mesure de cette concentration est effectuée au plus près du produit entre 1 mm et 15 cm, par l'accès (36). Dans cette zone et en présence d'oxygène, il y a une consommation de la couche décarburée par oxydation qui sera accompagnée d'une augmentation de porosité de la  T 'In zone (34) (temperature higher than Tégajsajor') 'the fuel and oxidant flow rates of the burners in zone (34) must be adjusted according to the invention so as to generate an oxygen content in the atmosphere included between 0.5% and 5% vol. and preferably between 1.5 and 4% vol. The measurement of this concentration is carried out as close as possible to the product between 1 mm and 15 cm, by the access (36). In this zone and in the presence of oxygen, there is a consumption of the decarburized layer by oxidation which will be accompanied by an increase in porosity of the

calamine, qui facilitera son élimination en sortie de four.  scale, which will facilitate its removal from the oven.

L'accès (39) permet de vérifier à tout moment la concentration en CO  Access (39) allows the CO concentration to be checked at any time

et en O2 dans les fumées avant leur évacuatio.  and in O2 in the fumes before their evacuation.

Lorsque l'on contrôle ainsi l'atmosphère, selon l'invention, la réduction de la masse de calamine obtenue est entre 5 et 25%, selon la nature de l'acier. De la même façon, on note en règle générale, une réduction de l'épaisseur de la couche décarburée d'au moins 10%, selon la teneur en  When the atmosphere is thus controlled according to the invention, the reduction in the mass of scale obtained is between 5 and 25%, depending on the nature of the steel. Similarly, there is generally a reduction in the thickness of the decarburized layer of at least 10%, depending on the content of

éléments d'alliage et spécifiquement la teneur en carbone.  alloying elements and specifically the carbon content.

Les gains obtenus avec le contrôle de l'atmosphère sont cumulables  The gains obtained with atmospheric control are cumulative

avec les gains obtenus par réduction des temps A, et 2 décrits ci-dessus.  with the gains obtained by reduction of times A, and 2 described above.

La figure 4 illustre le contrôle de la montée en température du produit selon l'invention. L'invention consiste à permettre le contrôle de la montée en température du produit et le réglage des brûleurs par une mesure locale, zone par zone et à quelques cm au-dessus de la charge, de la température  FIG. 4 illustrates the control of the rise in temperature of the product according to the invention. The invention consists in allowing the control of the rise in temperature of the product and the adjustment of the burners by a local measurement, zone by zone and a few cm above the load, of the temperature

de l'atmosphère du four grâce à un système de diode laser.  of the furnace atmosphere thanks to a laser diode system.

2s Sur la figure 4, le four (41) montre l'emplacement du produit (42) et du thermocouple (48) selon la technique de l'art antérieur. La mesure du thermocouple (48) donne une valeur de température dans l'axe du four et loin  2s In Figure 4, the oven (41) shows the location of the product (42) and the thermocouple (48) according to the technique of the prior art. The thermocouple measurement (48) gives a temperature value in the axis of the oven and far

du produit (42).of the product (42).

r k ir k i

12 282407812 2824078

Selon l'invention on met en place une ou plusieurs diode laser pour mesurer une valeur de température moyenne le long du chemin optique dans  According to the invention, one or more laser diodes are used to measure an average temperature value along the optical path in

la largeur du four.the width of the oven.

Une telle disposition permet: - Une mesure moyenne le long du four, plus représentative du  Such an arrangement allows: - An average measurement along the oven, more representative of the

produit qu'une mesure ponctuelle en voûte.  produces only a point measurement in the vault.

- Une mesure proche du produit donc directement liée à la température de surface du produit qui est à l'équilibre avec la  - A measurement close to the product therefore directly related to the surface temperature of the product which is in equilibrium with the

température du gaz en contact avec la dite surface.  temperature of the gas in contact with said surface.

- Une quantification de la relation entre température de voûte et température du produit qui était effectuée empiriquement dans l'état  - A quantification of the relationship between vault temperature and product temperature which was carried out empirically in the state

de l'art (en conservant le thermocouple de voûte).  of art (keeping the vault thermocouple).

Sur la figure 4, le nombre de points de mesures a ici été limité à trois.  In FIG. 4, the number of measurement points has here been limited to three.

De préférence, on utilisera entre 1 et 10 points de mesure dans un four.  Preferably, between 1 and 10 measurement points will be used in an oven.

Le four (41) est équipé des accès (43, 44, 45) situés au dessus du  The oven (41) is equipped with accesses (43, 44, 45) located above the

produit (42).product (42).

L'opérateur du four doit respecter au maximum un profil de montée en température d u prod uit (47). Ce profi l est fou rni à l' opérateu r, soit par son  The oven operator must comply as much as possible with a temperature rise profile of the product (47). This profi l is crazy for the operator, either by his

expérience soit par une abaque, soit par un logiciel de conduite de four.  experience either by an abacus or by oven control software.

Pour contrôler la montée en température du produit (47), I'homme de I'art ne disposait jusque là que de la courbe (46) décrivant le température de la voûte dans l'axe du four, dont, par exemple, le thermocouple (48) fournit un point de mesure, comme ilustré sur la courbe. Selon l'invention, I'homme de l'art a maintenant accès aux mesures situées sur la courbe (47) qui sont d i rectement liées à la température de surface d u prod u it. L'opérateur peut donc agir sur la puissance des brûleurs pour retrouver le niveau souhaité de température sur la courbe (47). Si la température mesurée est trop basse, alors l'opérateur augmentera la puissance de chauffage dans la zone proche r du point de mesure. A l'inverse, si la température mesurée est trop haute, alors l'opérateur réduira la puissance dans la zone proche du point de mesure. L'invention présente également l'avantage suivant: Certains fours utilisent un logiciel dit de " Niveau 2 " pour reproduire quelles que soient les conditions de chauffe une montée en température du produit, selon un profil initial donné. L'homme de métier ne disposait jusqu'à ce jour d'aucune mesure pour valider en continu l'effet du logiciel. C'est un autre aspect de l' invention que de coup ler ce log iciel avec les mesu res directes du produit selon l'invention, ce qui permet d'avoir une vérification  To control the rise in temperature of the product (47), those skilled in the art had hitherto only had the curve (46) describing the temperature of the vault in the axis of the oven, including, for example, the thermocouple (48) provides a measurement point, as shown on the curve. According to the invention, those skilled in the art now have access to the measurements located on the curve (47) which are directly related to the surface temperature of the product. The operator can therefore act on the power of the burners to find the desired temperature level on the curve (47). If the measured temperature is too low, then the operator will increase the heating power in the area near r of the measurement point. Conversely, if the measured temperature is too high, then the operator will reduce the power in the area near the measurement point. The invention also has the following advantage: Some ovens use so-called "Level 2" software to reproduce, whatever the heating conditions, a rise in temperature of the product, according to a given initial profile. Those skilled in the art had until now no measure to continuously validate the effect of the software. It is another aspect of the invention to cut this log here with the direct measurements of the product according to the invention, which makes it possible to have a verification

systématique en temps réel de la température visée du produit.  systematic real-time target product temperature.

Exemule 1: Un premier exemple de mise en _uvre est décrit à l'aide de la figure 5 qui représente la courbe de chauffe (51) associée à un four de réchauffage de billettes de grande longueur. La combustion est réalisée avec des brûleurs dont le combustible est du gaz naturel et le comburant de l'air  Example 1: A first example of implementation is described with the aid of FIG. 5 which represents the heating curve (51) associated with a long billet heating furnace. The combustion is carried out with burners whose fuel is natural gas and the oxidizer of air

préchauffé, avant mise en place de l'invention.  preheated, before implementation of the invention.

La mise en _uvre de l'invention se caractérise par le remplacement des brûleurs existants dont le comburant est de l'air, par des brûleurs dont le comburant a une concentration en oxygène supérieure à 21% en volume, et de préférence supérieure à 88%. Plus préférentiellement, le comburant sera de l'oxygène industriellement pur. La courbe de chauffe associée est la courbe (52). On remarque que les temps 4, et A2 sont réduits respectivement de 340 à 250 secondes et de 5300 à 4800 secondes. La qualité métallurgique du procédé obtenu selon la courbe (52) sera nettement améliorée, grâce au suivi de la courbe de chauffe de la fig. 5, avec l'installation de diodes laser aux emplacements explicités en regard de la fig.  The implementation of the invention is characterized by the replacement of existing burners whose oxidant is air, by burners whose oxidant has an oxygen concentration greater than 21% by volume, and preferably greater than 88%. . More preferably, the oxidizer will be industrially pure oxygen. The associated heating curve is the curve (52). Note that times 4 and A2 are reduced from 340 to 250 seconds and from 5300 to 4800 seconds respectively. The metallurgical quality of the process obtained according to curve (52) will be significantly improved, thanks to the monitoring of the heating curve in FIG. 5, with the installation of laser diodes at the locations explained with reference to FIG.

3 et fig. 4.3 and fig. 4.

14 282407814 2824078

La figure 6 représente la quantité de calamine produite avec la méthode décrite ci-avant. La quantité de calamine (61) est associée à la situation de référence, la courbe de calamine (62) est associée à la mise en _uvre de l'invention. Les deux courbes ont été normalisées par la valeur maximum de l'épaisseur de calamine obtenue dans les conditions (61) . La mise en _uvre du procédé selon l'invention, réduisant A' de 26.5 % et A2 de 9.5 % permet de réduire la quantité de la calamine en moyenne de 8% (Fig. 6). Selon les expériences, I'épaisseur de la couche décarburée  FIG. 6 represents the quantity of scale produced with the method described above. The amount of scale (61) is associated with the reference situation, the scale curve (62) is associated with the implementation of the invention. The two curves were normalized by the maximum value of the calamine thickness obtained under conditions (61). The implementation of the process according to the invention, reducing A 'by 26.5% and A2 by 9.5% makes it possible to reduce the amount of scale on average by 8% (Fig. 6). According to experiments, the thickness of the decarburized layer

est réduite entre 9 et 17%.is reduced between 9 and 17%.

Exemple 2:Example 2:

L'exemple de réalisation ci-après a été mis en _uvre dans un four de  The example of embodiment below was implemented in an oven of

réchauffage de billettes, de 33 MW de puissance et de 30m de long environ.  heating of billets, of 33 MW of power and about 30m long.

Les brûleurs présents initialement sur le four sont des brûleurs dit aéro-  The burners initially present on the oven are so-called air burners.

combustibles, I'air de combustion étant préchauffé à 300 C.  combustibles, the combustion air being preheated to 300 C.

La figure 7 compare, pour un profil de chauffe identique, la quantité de calamine produite par (courbe 71) en suivant une courbe de chauffe dont la concentration d'oxygène est égale à 3.5 % volumique dans les fumées humides, mesurce dans les fumées par une sonde à oxygène usuelle et la quantité de calamine produite par (courbe 72). Une courbe de chauffe selon I'invention o la concentration d'O2 et de CO est mesurée et contr61ée à l'aide d'une diode laser dont le rayon passe à une distance de moins de 6 cm du produit traité, permettant de contrôler les espèces ci-dessus (tout en conservant les brûleurs air/combustible). Avec Tecarb = 700 C et Tègaisation = 1100 C, la concentration, selon l'invention, est maintenue à une concentration de 1.5% 02 quand T Tègajsajon, une concentration d'O2 =0% et une concentration de CO = 3% pour Tècar < T Tégajsa,jon et une concentration  FIG. 7 compares, for an identical heating profile, the quantity of scale produced by (curve 71) by following a heating curve whose oxygen concentration is equal to 3.5% by volume in the humid fumes, measured in the fumes by a usual oxygen sensor and the quantity of carbon produced by (curve 72). A heating curve according to the invention where the concentration of O2 and CO is measured and controlled using a laser diode whose radius passes at a distance of less than 6 cm from the treated product, making it possible to control the above species (while retaining air / fuel burners). With Tecarb = 700 C and Tègaisation = 1100 C, the concentration, according to the invention, is maintained at a concentration of 1.5% 02 when T Tègajsajon, an O2 concentration = 0% and a CO concentration = 3% for Tècar <T Tégajsa, jon and a concentration

d'O2 de 2% pour T Tècarb.2% O2 for T Tècarb.

rr

2824073 La mise en _uvre selon l'invention, selon cet example 2, permet de réduire2824073 The implementation according to the invention, according to this example 2, makes it possible to reduce

l'épaisseur de la calamine de 11% (Fig. 7). Selon les experiences,  the thickness of the scale of 11% (Fig. 7). According to experiences,

I'épaisseur de la couche décarburée est réduite entre 12 et 20%.  The thickness of the decarburized layer is reduced between 12 and 20%.

r tr t

Claims (3)

REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer les qualités métallurgiques d'un produit lors de son traitement dans un four dans lequel le produit à traiter est introduit dans le four, puis soumis au traitement souhaité, puis retirer du four, le four comportant des moyens de chauffage et notamment des brûleurs, et étant porté à une température variable selon les zones du four, et comportant une atmosphère ayant une composition qui peut également varier selon les zones considérées du four, caractérisé en ce que l'on contrôle la concentration en l'une au moins des espèces oxydantes 02. H20 eVou CO2 de l'atmosphère du four à l'aide d'une diode à faisceau laser dont le faisceau traverse au moins une zone dur four, de manière à mesurer de préférence en temps réel la concentration, au point de mesure, de l'une au moins de ces espèces, de manière à modifier les débits d'injection respectifs de combustible eVou de comburant, d'au moins un brûleur du four et modifier éventuellement la  1. Method for improving the metallurgical qualities of a product during its treatment in an oven in which the product to be treated is introduced into the oven, then subjected to the desired treatment, and then removed from the oven, the oven comprising heating means and in particular burners, and being brought to a variable temperature according to the zones of the furnace, and comprising an atmosphere having a composition which can also vary according to the zones considered of the furnace, characterized in that the concentration of one is controlled at less oxidizing species 02. H20 eVou CO2 from the furnace atmosphere using a laser beam diode the beam of which passes through at least one hard furnace zone, so as to preferably measure the concentration in real time, measurement point, of at least one of these species, so as to modify the respective injection flow rates of fuel and oxidizer, of at least one oven burner and possibly modify the concentration en oxygène dans la zone de mesure.  oxygen concentration in the measurement area. 2. Procèdé selon la revendication 1, dans lequel il existe au moins un brûleur dans la zone de mesure de la diode laser, caractérisé en ce que  2. Method according to claim 1, in which there is at least one burner in the measurement area of the laser diode, characterized in that l'on modifie le rapport volumique d'oxygène et de combustible dudit brûleur.  the volume ratio of oxygen and fuel of said burner is modified. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel il n'existe pas de brûleur dans la zone de mesure de la diode laser ou dans lequel on ne souhaite pas modifier le réglage de brûleurs présents dans cette zone, caractérisé en ce que l'on ajoute de l 'oxygène à l' aide de lances  3. Method according to claim 1, in which there is no burner in the measurement zone of the laser diode or in which one does not wish to modify the setting of burners present in this zone, characterized in that one add oxygen using lances