Un four à réchauffage est une composante essentielle d’un laminoir d’acier. Sa fonction principale est de chauffer les lingottes, les feuilles ou les dalles à la température de laminage requise et d’assurer une température suffisamment uniforme sur toute la section de lingettes avant d’entrer dans le laminoir.
Un bon fonctionnement du four affecte directement la qualité de l’acier, la productivité du laminoir, la consommation de carburant et les coûts d’exploitation. Comprendre les principes de base de la combustion, du transfert de chaleur, de la pression du four et du contrôle de la température est donc essentiel pour un fonctionnement stable du laminoir.
Connaissances de base sur les fours de réchauffage
Énergie, Température et Pression
Plusieurs unités de base sont couramment utilisées pour le fonctionnement des fours de réchauffage.
- 1 kcal ≈ 4 185 J
- 1 J ≈ 0,000239 kcal
- Température absolue : T = 273 + t, où Test la température absolue en kelvin et t la température en °C.
- 1 mmH₂O ≈ 9,81 Pa
- 1 kg/cm² ≈ 98 100 Pa
- 1 mmHg ≈ 133,32 Pa
- 1 atmosphère standard = 101 325 Pa
Pour le calcul de la consommation de combustible, le combustible standard ou le charbon standard peuvent également servir de référence. Un kilogramme de charbon standard se voit conventionnellement attribuer une valeur calorifique d’environ 7 000 kcal.
Combustibles courants pour les fours à réchauffage en acier
Le choix du combustible dépend des conditions de l’installation, de la disponibilité, de la conception du four et des exigences opérationnelles.
Le gaz naturel est un combustible à haute valeur calorique, avec le méthane (CH₄) comme composant principal. Il peut fournir une température de combustion élevée et est largement utilisé dans les fours industriels modernes.
Le gaz des fours à coke (COG) est un sous-produit de la production de coke. Ses principaux composants combustibles incluent l’hydrogène et le méthane, ce qui lui confère une valeur calorique nettement supérieure à celle du gaz des hauts fourneaux.
Le gaz de haut fourneau (BFG) est un sous-produit de la fabrication de fer de haut fourneau. Il contient une proportion relativement élevée d’azote et de monoxyde de carbone et a une valeur calorique relativement faible. La composition typique des BFG comprend environ 25 à 31 % de CO, 2 à 3 % de H₂, 0,3 à 0,5 % de CH₄ et 55 à 58 % de N₂.
La composition réelle du combustible et la valeur calorique peuvent varier selon les conditions de l’usine et les systèmes de traitement des gaz, le fonctionnement du four doit donc être basé sur les propriétés réelles du combustible disponibles sur le site.
Trois étages de chauffage de base
Le processus de chauffage dans un four de réchauffage en acier peut généralement être compris en trois étapes : préchauffage, chauffage et trempage.
1. Préchauffage
Au début du chauffage, le taux de chauffage doit être contrôlé pour éviter une contrainte thermique excessive, en particulier lors du traitement de billettes à contrainte résiduelle.
Les aciers à haute teneur en carbone et à haute intensité alliage peuvent nécessiter une plus grande attention aux vitesses de chauffage. L’objectif de l’étape de préchauffage est de permettre à la température de la billette d’augmenter progressivement tout en limitant les différences excessives de température entre la surface et le noyau.
2. Chauffage
Pendant la phase de chauffage, le four fournit la majeure partie de l’énergie thermique requise.
Dans les limites spécifiées par le four et la qualité de l’acier, augmenter la différence de température entre l’atmosphère du four et la surface du bloc peut améliorer le transfert de chaleur et accélérer le chauffage. Le transfert de chaleur rayonnante est particulièrement important à haute température de four.
Cependant, une intensité de chauffage excessive peut entraîner une grande différence de température entre la surface de la billette et son centre. La température du four et la chaleur apportée doivent donc être adaptées à la taille de la billette, à la qualité de l’acier et au taux de production.
3. Trempage
L’objectif principal de l’étape de trempage est de réduire la différence de température sur la section de billette.
Au lieu de continuer à augmenter la température de surface, la chaleur est laissée à conduire de la surface vers le centre de la billette. La température du four et l’apport de chaleur doivent donc être réduites de manière appropriée tout en maintenant la température requise de la billette.
Un bon trempage permet d’obtenir une répartition de température plus uniforme et réduit le risque de surchauffe et de combustion. Le contrôle de l’atmosphère du four est également important durant cette étape.
Problèmes courants de fonctionnement des fours de chauffage
Température excessive de sortie de la fournaise
Une température élevée de sortie de la chaudière ou des gaz de combustion signifie généralement que plus de chaleur est emportée par les gaz d’échappement, augmentant la perte de chaleur et réduisant l’efficacité thermique.
Les causes courantes incluent :
- Combustion incomplète et flammes excessivement longues
- Consommation excessive de carburant
- Les billettes restent dans le four plus longtemps que nécessaire
- L’apport de chaleur n’est pas ajusté au rythme de production réel
Les actions correctives incluent l’optimisation du rapport air-carburant et de la condition de combustion, ainsi que la réduction de la chaleur apportée pour correspondre au taux de production du laminoir.
Température de sortie basse du four
La température de sortie du four doit être cohérente avec le taux de production. Si elle est trop basse, le chauffage des billettes peut devenir insuffisant et la productivité du four peut être affectée.
Les causes possibles incluent une vitesse de production excessive par rapport à l’apport thermique disponible de la chaudière.
Si le four n’a pas atteint sa charge thermique maximale, l’apport de combustible peut être augmenté de manière appropriée. Si le four fonctionne déjà à sa capacité maximale, le taux de production peut devoir être réduit.
Température basse de la tête de billette
Une faible température à l’extrémité du bloc peut résulter d’une pression de chaudière insuffisante, d’une infiltration d’air par des portes latérales mal étanches, ou d’une répartition inégale de la température sur toute la largeur du four.
Les mesures correctives possibles incluent l’amélioration du contrôle de la pression de la chaudière, l’étanchéité des portes de la chaudière et l’ajustement de l’apport de chaleur sur toute la largeur de la chaudière.
Extrémités de billettes surchauffées
Les extrémités en billettes peuvent surchauffer lorsque la température du four près des parois latérales est excessive ou lorsque les billettes courtes exposent une plus grande surface à l’atmosphère du four.
Un chauffage excessif par le fond peut également contribuer à la surchauffe des extrémités en billette.
Un réglage approprié du chauffage par le fond et de l’apport de chaleur autour des billettes courtes peut aider à contrôler ce problème.
Faible température du fond de la billette
Une basse température sur la surface du fond de la lingotte peut être associée à :
- Chauffage inférieur insuffisant
- Une zone de trempage inadéquate
- Dommages ou perte d’isolation autour des tuyaux de protection
- Mauvaise étanchéité des portes inférieures de la chaudière
Ces conditions doivent être vérifiées lors de l’inspection et de l’entretien de la chaudière.
Contrôle de la pression du four
La pression de la chaudière est un paramètre de fonctionnement important. Un mauvais contrôle de la pression peut augmenter l’infiltration d’air et la consommation de carburant ou interférer avec une combustion stable.
La difficulté à contrôler la pression du four peut être causée par des dépôts excessifs de tartas d’oxyde de fer dans le système de conduite, une accumulation d’eau, des points de fuite dans la cheminée ou le conduit, ou un tirage d’eau excessif de la cheminée.
La solution appropriée dépend de la cause réelle. L’entretien peut inclure l’enlèvement des tartres accumulées, l’élimination des accumulations d’eau, la réparation des points de fuite et l’ajustement du système d’échappement.
Dans certains cas, un four modernisé avec une consommation de carburant significativement inférieure peut avoir un système d’échappement avec une capacité excessive par rapport aux nouvelles conditions de fonctionnement. Une modification appropriée du système de conduit peut alors être envisagée pour améliorer le contrôle de la pression.
Comment améliorer l’efficacité énergétique du réchauffage des chaudières
Un principe clé pour un fonctionnement efficace du four est d’éviter de fournir plus de chaleur que ce que le procédé de production exige.
Lorsque la production diminue, la répartition du combustible entre les zones de fourneaux doit être ajustée en conséquence plutôt que de maintenir la charge thermique utilisée à des taux de production normaux.
Une approche pratique est la méthode de chauffage à point fixe, dans laquelle un emplacement défini dans le four est choisi comme point de référence pour surveiller la température de la billette. Dans des conditions de production stables, la billette devrait atteindre une température spécifiée à ce stade.
Si la température de la billette est déjà plus élevée que la cible au point de référence, la chaleur apportée peut être excessive. Si elle est plus basse, la chaleur apportée peut être insuffisante.
Le but n’est pas simplement de maximiser la température du four, mais de fournir la quantité de chaleur requise au bon endroit et au bon rythme de production.
Un autre principe de fonctionnement utile est ce que l’on peut décrire comme un chauffage contrôlé selon la qualité de l’acier, la taille des billettes, le taux de production et les plannings de température/charge thermique du four. Un fonctionnement stable et reproductible du four nécessite que ces paramètres soient coordonnés plutôt que réglés indépendamment.
Mise en service des fours et formation des opérateurs
La performance d’un four à réchauffage dépend non seulement de sa conception, mais aussi de sa mise en service, de l’exploitation, de la maintenance et de la formation des opérateurs.
Pour un four nouvellement construit, la cheminée doublée de réfractaire et les structures associées nécessitent un séchage et un chauffage appropriés avant leur fonctionnement normal. Cela élimine l’humidité des matériaux réfractaires et établit les conditions thermiques nécessaires à un tirage et un fonctionnement stables.
Lors de la mise en service et de l’exploitation, la pression du four, la combustion, la répartition de la température, la consommation de carburant, la température des billettes et la température des gaz d’échappement doivent être surveillées systématiquement.
Services EPC de fournaise et de laminoir de réchauffage du groupe SME
En tant que contractant EPC pour les laminants sidérurgiques, SME Group fournit des services couvrant l’ensemble du cycle du projet, de la conception des laminoirs et l’acquisition des équipements à la construction, la mise en service, l’exploitation d’essais et la gestion de la production.
Notre service peut également inclure une formation détaillée pour les opérateurs locaux et le personnel de maintenance. La formation se concentre sur l’utilisation pratique du four, le contrôle de la température et de la pression, la gestion de la combustion, la coordination de la production, la maintenance des équipements et le dépannage.
L’objectif n’est pas simplement de terminer l’installation et de remettre l’équipement, mais d’aider l’équipe locale à développer les connaissances et compétences nécessaires au fonctionnement stable des fours de réchauffage et à un entretien approprié après la livraison du projet.
Un four de réchauffage bien conçu, combiné à une mise en service appropriée, à la formation des opérateurs et à la gestion de la production, offre une base solide pour un fonctionnement efficace et fiable de l’aciérie.
Note éditoriale
Cet article est adapté des documents de formation initialement préparés par SME Group pour les employés d’un précédent projet de laminage sidérurgique. Les matériaux originaux ont été développés pour les conditions et exigences spécifiques de ce projet et ont été édités et réorganisés ici pour référence technique générale.
Si vous identifiez des inexactitudes, des omissions ou des points nécessitant des clarifications supplémentaires, nous vous invitons à contacter SME Group pour discuter et échanger techniquement.
