Thermique Des Fours

Éléments de thermique des fours par Gérard PANIEZ Ingénieur des Arts et Métiers Ingénieur à la Société française d’études énergétiques

1. Usag Usages es des des fou fours rs et étuv étuves es ...................................... .......................................................... ............................. ......... 1.1 Secteurs Secteurs d’activ d’activité ité concern concernés és et applica applications tions par par secteur secteur ....................... 1.2 Besoins Besoins de l’utilisat l’utilisateur....... eur............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ....... .......................

BE 9 510 - 2 — 2 — 2

2. 2.1 2.2 2.3

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Classi Classifica ficatio tion n des des fours fours et des étuves étuves .... Classificat Classification ion par fonction fonction ......... .............. .......... .......... ........ ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Classificat Classification ion par groupe groupe .......... ............... ......... ......... .......... ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Classificat Classification ion selon le mode mode de charg chargemen ementt .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

— — — —

3 3 3 4

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.7 3.8 3.9

Cons Consttitut itutio ion n du du fou fourr ..................................... ....................................... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Les différ différent entss four fours.... s....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Charge Charge et et manute manutenti ntion on de la char charge ge... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Atmosphèr Atmosphère.... e......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ...... .. ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Matériaux Matériaux composant composant les les parois, parois, la sole sole et la voûte voûte .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Systèm Systèmee de chauf chauffag fagee par comb combust ustion ion ....................... ......................... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Résist Résistanc ances es électr électriqu iques es ............................................... ................................................. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Émet Émette teur urss infr infrar arou ouge ges. s............................... .............................. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Chauffage Chauffage par induction induction électroma électromagnét gnétique. ique.... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Micro-onde Micro-ondess .......... ............... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ......... .... ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... ..

— — — — — — — — — —

4 4 5 5 5 6 8 9 10 10

4. 4.1 4.2 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.7 4.8 4.8

Bilans Bilans énergé énergétiq tiques ues et dimens dimension ionnem nement ent..... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Bilan thermique thermique .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ....... .. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Pert Pertes es par par une une paro paroii ............................................ .............................................. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Énergi Énergiee accum accumulé uléee dans dans une paroi. paroi.... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Pertes Pertes diver diverses..... ses.......... ......... ......... .......... .......... ......... ....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Échang Échanges es therm thermiqu iques es avec avec la char charge ge ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Dimension Dimensionneme nement nt .......... .............. ......... .......... .......... ....... ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Modé Modéli lisa sati tion on .......................................... ............................................. ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Cahi Cahier er des des char charge gess .......... ............... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... ........ ...

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10 10 14 15 15 16 16 17 18

5. 5.1 5.1 5.2 5.3 5.3 5.4 5.5 5.5 5.6 5.6

Exploitation .............. ................... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ........ ... Préc Préch hauff auffaage...... ge. ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. Défour Défournem nement ent.. Enfo Enfourn urneme ement nt..... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ..... Cycl Cyclee ther thermi miqu quee ............................ ................................. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... Régula Régulatio tion n de tempér températu ature re .......... ............... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ..... Cond Condui uite te du four four................. ...................... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... Entr Entret etie ien n .... ...... .... .... .... .... ..................... .......................... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......

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18 18 18 19 19 20 20

Pour en savoir savoir plus ....................................... ........................................................... ....................................... ................................ ............. Doc. BE 9 510

es fours et les étuves sont des outils de production destinés à élaborer ou transformer des matériaux grâce aux transferts thermiques entre une source de chaleur et la matière à traiter. Le présent article décrit les équipements et leurs fonctions dans les trois premiers paragraphes ; le quatrième insiste sur les aspects énergétiques et les moyens permettant de les comprendre ou de les maîtriser. maîtriser. Le dernier paragraphe précise les modes de conduite de ces outils de production en rapport avec les besoins et les contraintes thermiques.

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ÉLEMENTS DE THERMIQUE DES FOURS ____________________________________________________________________________________________________

1. Usa Usages ges des four fourss et et étuves étuves 1.1 Secteurs Secteurs d’activité d’activité concernés concernés et applications par secteur 1.1.1 Industrie Industrie des métaux métaux Pour ce secteur d’activité, les fours et les étuves sont présents dans : — la sidérurgie et la première première transformation de l’acier l’acier ; — la métallurgie et et la première transformation transformation des métaux métaux non ferreux ; — la fonderie et le le travail des métaux métaux ; — les constructions mécanique, automobile, automobile, navale navale et aéroaéronautique. Chaque four a un ou plusieurs usages particuliers qui correspondent à un domaine de température (tableau 1). (0)

1.1.3 Matériau Matériaux x et céramiqu céramique e Pour ce domaine, les fours et les étuves permettent : — le séchage de matériaux broyés broyés : craie, talc, chaux, etc. (50 à 120 oC) ; — le séchage de matériaux matériaux façonnés préparés préparés par voie humide humide : argile, poteries, etc. ; — la fusion de verre, de vitrocéramique, vitrocéramique, d’émaux, d’émaux, de réfractaires, réfractaires, de fibres céramique ; — la cuisson de produits produits obtenus par moulage moulage ou frittage : • les produits céramiques céramiques techniques techniques (1 000 à 2 600 oC), • les briques, les tuiles en terre (1 000 oC), • les réfractaires réfractaires de fours (1 200 à 1 700 oC), • les abrasifs abrasifs de de meules meules (1 200 oC), • les faïences faïences (920 (920 à 1 250 oC), la porcelaine (1 100 à 1 600 oC), • les poteries poteries et les les grès (950 à 1 280 oC) ; — la thermomaturation thermomaturation du béton préfabriqué préfabriqué (50 à 80 80 oC).

1.1.4 Autres Autres secteurs secteurs Tableau 1 – Usage du four en fonction du domaine de température Domaine de température

Usages

de 50 à 200 oC

— séchage de de pi pièces ap après lavage/dégraissage — désolvata désolvatation tion et cuisson cuisson de peinture peinture — fusion fusion de cire cire (fonde (fonderie) rie) — stab stabil iliisati sation on des des aci acier erss — revenu revenu des aciers aciers à haute haute teneur teneur en carbone — revenu et vieillissement vieillissement des des alliages alliages légers — bleuissage bleuissage des aciers aciers — revenu revenu des aciers aciers ordinai ordinaires res — recuit recuit des des acier acierss — recuit recuit des des soudure souduress — recuit recuit des métaux métaux cuivr cuivreux eux — stabilisat stabilisation ion de de la fonte fonte — fusion fusion des alliage alliagess légers légers — cémentatio cémentation n au carbone, carbone, carbonitrura carbonitruration tion — recuit recuit des des acier acierss — trempe trempe des des acier acierss — recuit des des maillechorts maillechorts et des cupronickels cupronickels — cémentatio cémentation n au carbone carbone — recuit recuit des aciers aciers spécia spéciaux ux — trempe trempe des aciers aciers spécia spéciaux ux — traitemen traitementt des aciers inoxyda inoxydables bles et des aciers réfractaires — traitemen traitementt des fontes fontes malléables malléables (à cœur blanc et à cœur noir) — traitemen traitementt des aciers aciers rapides rapides — fusion fusion du cuiv cuivre re

de 150 à 300 oC

de 500 à 700-750 oC

de 700 à 850-900 oC de 900 à 1 000-1 100 oC

de 1 000 à 1 2501 300-1 350 oC au-delà de 1 350 oC

— fusion fusion de la fonte fonte et et de l’acier l’acier

Les fours et les étuves sont également rencontrés pour : — le séchage séchage du bois bois (40 à 100 100 oC) ; — le séchage de produits pharmaceutiques (20 à 80 oC) ; — la polymérisation polymérisation de matières plastiques plastiques (100 à 200 200 oC).

1.2 Besoins Besoins de l’utilisateu l’utilisateurr 1.2.1 Impérati Impératifs fs techniqu techniques es Les caractéristiques qui définissent une charge charge à traiter sont essentiellement : — la nature et la présentation présentation de la charge : forme des pièces, densité apparente de chargement, possibilité de diviser la charge, etc. ; — la nature du matériau matériau : valeurs valeurs de l’émissivité, l’émissivité, de la capacité thermique massique, de la masse volumique, etc. ; — la nature du second second matériau s’il s’agit d’un revêtement revêtement ou d’un composite ; — la températ température ure initiale initiale.. Le traitement est traitement est déterminé par la nécessité de réaliser un cycle précis de température-temps. température-temps. Cela est assorti, éventuellement, de données complémentaires : — la précision et l’uniformité l’uniformité de la température à obtenir obtenir ; — la présence présence d’une atmosphère contrôlée. La température recherchée joue un grand rôle dans le choix du mode de chauffage, dans celui de la nature du garnissage et du type de chauffage à mettre en œuvre. La production à production à réaliser est essentiellement caractérisée par : — la production horaire horaire ou la production production par cycle ; — la possibilité de diviser cette production ; — l’engagement prévu prévu de l’équipement l’équipement (nombre d’heures d’exploitation par jour, par semaine).

1.1.2 Agriculture et industries industries agroalimentaires agroalimentaires

1.2.2 Contraintes d’exploitation

Les fours et étuves de ces secteurs industriels ont pour finalité : — le séchage dans un domaine domaine de température température d’enceinte de 40 à 180 oC ; — la cuisson cuisson (100 (100 à 300 300 oC) ; — la pasteuri pasteurisatio sation n (70 à 80 oC) ; — la stérilisat stérilisation ion (110 à 130 130 oC) ; — la rétraction rétraction des des emballages emballages plastiques. plastiques.

L’utilisateur installe le four, en général, au sein d’une usine déjà en exploitation. Aussi, doit-il tenir compte de diverses contraintes : — l’enviro l’environneme nnement nt en général général ; — le processus de fabrication dans lequel lequel s’insère le four : les opérations réalisées en amont et en aval du four, leurs cadences respectives peuvent avoir une incidence sur le choix du four, ainsi que les conditions possibles de préparation des charges ;

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____________________________________________________________________________________________________ ÉLEMENTS DE THERMIQUE DES FOURS

— la qualification du personnel d’exploitation et sa disponibilité (travail posté, pendant le week-end, etc.) ; — les possibilités d’entretien : niveau des équipements et qualification du personnel ; — les conditions d’alimentation en énergie ; — les possibilités de raccordement des fluides auxiliaires (eau, air comprimé, azote, etc.) et de rejets des effluents éventuels (eau, vapeurs et effluents gazeux, etc.).

1.2.3 Choix du mode de chauffage Ce choix dépendra : — du niveau de température ; — de la précision de température souhaitée ; — de la nature du matériau et de l’atmosphère de l’enceinte ; — de la rapidité de montée en température ; — de l’expérience et de la compétence des personnels d’exploitation et d’entretien ; — de l’intégration éventuelle à une gestion centralisée ; — des énergies disponibles et du coût de ces énergies ; — des rejets atmosphériques éventuels. Les différentes énergies utilisées et leurs domaines privilégiés sont : — le gaz naturel, le gaz de pétrole liquifié, le fuel domestique, l’électricité pour les applications courantes ; — l’électricité pour les applications exigeantes (qualité, atmosphère particulière, haute température, rapidité) ; — le fuel lourd pour les très grosses installations (généralement avec fluide caloporteur) ; — le coke pour l’élaboration et la fusion de la fonte ; — le bois (pour le séchage de bois en particulier).

2. Classification des fours et des étuves

2.2.1 Fours intermittents Dans ce premier groupe, la charge reste fixe pendant le traitement entre l’enfournement et le défournement. Un four discontinu est soumis à un cycle de température variable dans le temps, tout comme la charge. Il fonctionne en régime thermique variable : l’inertie thermique du four peut alors jouer un rôle important dans son exploitation. Les différents fours discontinus sont : — les fours à sole horizontale fixe ; — les fours puits ; — les fours à creuset ; — les fours à sole élévatrice (figure 1) ; — les fours à cloche (figure 2) ; — les fours à pots ; — les fours basculants ; — les fours à sole mobile (figure 3) ; — les fours à chariots.

Figure 1 – Four à sole élévatrice

2.1 Classification par fonction Ils peuvent être classés selon leurs fonctions décrites au paragraphe 1 : la fusion, le traitement thermique, la cuisson, le séchage.

Terminologie : on parle généralement de fours pour les traitements de métaux et de matériaux à une température supérieure à 300 oC environ ; le terme d’étuve est réservé aux traitements des produits organiques et minéraux à une température inférieure à 300 oC et, en particulier, aux traitements par la vapeur d’eau. On peut trouver d’autres termes tels que : enceinte, chaîne, cuve, bain, réacteur, etc., mais l’étude thermique de ces équipements est semblable à celle des fours (terme le plus usité dans cet article).

Figure 2 – Four à cloche cylindrique

2.2 Classification par groupe Ils peuvent être également séparés en deux groupes : — fours discontinus appelés aussi fours intermittents ou fours à charge ; — fours continus appelés fours tunnels ou fours à passage. Figure 3 – Four à sole mobile


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2.2.2 Fours continus Dans ce deuxième groupe, les produits à traiter se déplacent de façon continue ou pas à pas depuis l’enfournement jusqu’au défournement. Un four continu fonctionne en régime thermique établi. La charge traverse le four et le cycle de température est réalisé sur la longueur du four au cours de l’avancement de la charge. Chaque section du four est à température constante dans le temps, température qui lui est propre pour un cycle de traitement donné. Les pertes globales du four sont constantes pour un cycle donné. Les différents fours continus sont : — les fours à pousseuse (fours à rails intérieurs, fours à galets intérieurs) (figure 4) ; — les fours à traction de feuillard (figure 5) ; — les fours à sole inclinée ; — les fours à sole vibrante ; — les fours à tubes-moufles ; — les fours à chaînes ; — les fours à câbles transporteurs ; — les fours à tablier sans fin ; — les fours à rouleaux commandés ; — les fours à longerons ; — les fours à sole tournante ; — les fours à plateau tournant ; — les fours à wagonnets ; — les fours à balancelles ; — les fours verticaux à passage pour traitement de bandes ; — les fours à cornue rotative ; — les fours à bains de sels à convoyeurs.

Figure 4 – Four à pousseuse

Figure 5 – Four continu à traction de feuillard

3. Constitution du four 3.1 Les différents fours

2.3 Classification selon le mode de chargement Les différents modes de chargement ou de manutention sont les suivants. 

Chargement horizontal : — fours à sole horizontale ; — fours à chargeuse ; — fours à sole mobile.



Chargement vertical : — fours puits ; — fours à cloche.



Manutention discontinue : — manuellement dans les fours à sole fixe ; — par pelles à roulettes, par fourches ; — par palans, par ponts roulants ; — par chargeuses à bras mobile ; — par sole mobile.

Manutention continue : — par gravité ; — par secousses ou par vibrations de la sole ; — par pousseuse : fours à sole rainurée (métallique ou réfractaire), fours à tubes-moufles, fours à galets intérieurs ; — par traction : fours à bandes, à fils ; — par chaîne ; — par convoyeur extérieur : fours à bain de sels ; — par tablier sans fin, glissant sur la sole ou sur des rouleaux ; — par longerons placés en sole ; — par rouleaux commandés : fours à rouleaux lisses et fours à rouleaux à disques ; — par sole tournante, par plateau tournant ; — par tambours, par cornues. 

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3.1.1 Fours de fusion Haut-fourneau et cubilot (fabrication de fonte) Ils sont constitués par une paroi verticale cylindrique ou conique. La charge est enfournée par le dessus avec du coke. L’air de combustion, insufflé par des tuyères, est parfois préchauffé par procédés électriques (résistances ou torche à plasma) ou par récupération d’énergie sur les gaz chauds. Le métal liquide coule par un orifice situé en partie basse. 

Four rotatif Il est composé d’un cylindre isolé, horizontal (ou légèrement incliné), mobile autour d’un axe de rotation avec des ouvertures au sommet et à la base du cylindre pour le chargement, la coulée et le passage de brûleur (fixe). 

Four à creuset Il est constitué d’un creuset, en matériau métallique ou céramique (selon la température), entouré d’un équipement de chauffe qui provoque la fusion de la charge déversée à l’intérieur. L’ensemble du four contenant le creuset peut être pivotant pour vider le liquide après fusion. L’équipement de chauffe peut se composer soit de un ou plusieurs brûleurs, soit de résistances électriques, soit d’un inducteur. 

3.1.2 Fours de traitement thermique Le four de traitement thermique à charge est constitué : — d’une partie inférieure appelée sole (fixe ou mobile) sur laquelle repose la charge (pièces à traiter) ; — d’une partie supérieure appelée voûte ; — de parois comportant en général plusieurs épaisseurs de nature différente ; — d’une porte à guillotine (ou deux plus rarement) ;



— d’un système de chauffage (brûleurs ou résistances électriques) généralement accroché aux parois mais aussi dans certains cas, à la voûte ou à la sole ; — dans certains cas, d’un générateur d’atmosphère de l’enceinte. Le four continu possède, en plus, un système de manutention de charge intérieur à l’enceinte et une porte de sortie ; il peut posséder plusieurs zones dans le sens de la longueur avec des systèmes de chauffage ou de refroidissement différents.

3.1.3 Étuves et tunnels de cuisson Leurs constitutions sont semblables aux fours de traitement thermique mais les épaisseurs des parois et de l’isolant sont nettement plus faibles et l’équipement de chauffage peut être constitué d’émetteurs infrarouges (au gaz ou électriques).

3.1.4 Séchoirs Ils sont de formes diverses mais on trouve fréquemment des séchoirs rotatifs pour les produits en vrac (géométrie semblable au four rotatif du § 3.1.1 et des tunnels pour les pièces humides (géométrie semblable au four de traitement thermique du § 3.1.2).

3.2 Charge et manutention de la charge Dans le cas des fours de fusion, la charge est constituée de produits en vrac (poudre, ferraille, etc.) pesés et manipulés par des chargeurs ou des bennes suspendus à un crochet de levage. Dans le cas du traitement thermique, les pièces en vrac peuvent être rangées dans des paniers ou posées sur un tapis. Pour les pièces lourdes et les produits continus (tôles, fils), un dispositif particulier de préhension ou d’avance est prévu. Pour les chaînes continues de cuisson, séchage, etc. , les pièces sont souvent suspendues à un convoyeur motorisé traversant le tunnel.

3.3 Atmosphère Pour certains traitements thermiques, l’enceinte du four doit être vidée de son atmosphère (fours sous vide) ou contenir une atmosphère particulière pour favoriser ou éviter une réaction chimique. Les exemples ci-après précisent le type d’atmosphère et l’effet souhaité pour différents traitements : — atmosphère exempte d’oxygène ou de composés oxydants (H2O, CO2) contenant des éléments neutres (N 2) ou réducteurs (H 2 , CO) pour le recuit des aciers extra-doux ; — atmosphère riche en CO et H 2 pour la cémentation des aciers ; — atmosphère riche en NH3 pour la nitruration gazeuse des aciers. Les gaz d’atmosphère, préparés ou stockés à l’extérieur de l’enceinte, sont introduits dans celle-ci avec une légère pression. Dans certains cas, l’atmosphère (contrôlée ou non) est brassée par un ventilateur pour améliorer l’échange thermique par convection et homogénéiser la température de la charge.

3.4 Matériaux composant les parois, la sole et la voûte Les températures d’utilisation des produits isolants se situent au-dessous de 1 000 oC ; celles des réfractaires isolants se situent entre 1 000 et 1 650 oC.

La conductibilité thermique d’un isolant est d’autant plus basse que celui-ci est plus léger et sa résistance mécanique augmente avec la masse volumique de 0,1 à 0,8 kg/dm 3 pour les isolants, de 0,3 à 1,1 kg/dm3 pour les réfractaires. Un produit réfractaire est considéré comme un isolant lorsque sa porosité totale est au moins égale à 45 %. Les produits réfractaires ou isolants se présentent sous différentes formes : — les produits façonnés : briques, blocs, plaques ; — les produits non façonnés, livrés en vrac et mis en forme sur chantier : poudres, granulés, ciments et bétons ; — les matériaux fibreux : laine de roche, laine minérale, laine de verre, fibre céramique ; — les bétons fibreux contenant des fibres céramiques qui peuvent être coulés ou projetés ; — les produits composites contenant également des fibres céramiques qui se présentent sous forme de dalles ou pièces semirigides. Les produits réfractaires courants contiennent de l’alumine et de la silice avec des teneurs variables selon leur classification en produits à haute teneur en alumine, argileux, silico-argileux, siliceux, de silice. Il existe également des produits basiques de magnésie, de chromite, de dolomie et des produits spéciaux à base de carbone, zircone, etc. Les matériaux composant les parois, la sole et la voûte sont choisis en fonction de leur faible conductivité thermique, mais également en fonction de leur résistance mécanique à la température de traitement de leur capacité à supporter cette dernière. Les matériaux sont également choisis pour leur compatibilité avec l’atmosphère de l’enceinte et avec le produit fondu ou traité. Comme il est difficile de trouver des matériaux satisfaisant à toutes ces conditions, on utilise souvent des parois composées de plusieurs couches, assez souvent trois couches : — en face chaude, une couche essentiellement réfractaire ; — en face froide, une couche essentiellement isolante ; — une couche intermédiaire éventuelle présentant des caractéristiques moyennes. En première couche, on a le choix entre les trois catégories principales de réfractaires généralement silico-aluminieux : lourds, légers, fibreux. Les isolants utilisés en face froide se présentent généralement sous forme de panneaux, plus ou moins rigides. Quant aux isolants-réfractaires intermédiaires, utilisés sous forme de briques ou de panneaux, leurs caractéristiques sont également très variables (tableau 2). (0)

Tableau 2 – Caractéristiques des matériaux composant les parois, la sole et la voûte Matériaux

Masse volumique

Conductivité thermique moyenne (1)

(kg/m3)

(W · m –1 · K–1)

Réfractaires : lourds .................. 1 800 à 2 200 légers .................. 500 à 1 200 fibreux................. 48 à 160 Isolants réfractaires 300 à 500 Isolants 35 à 200

1,25 0,2 0,2 0,1 à 0,15 0,06

(1) Conductivité thermique moyenne à la température d’emploi

Les réfractaires fibreux présentent une particularité intéressante : leur conductivité varie beaucoup avec la température (elle est couramment divisée par 4 lorsque la température varie de 900 oC à 200 oC) ; cela permet de les utiliser également comme isolant et de concevoir des parois composées d’un seul matériau.


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D’autres critères vont intervenir lors du choix des matériaux : — la résistance au choc thermique (en particulier pour les portes) ; — la résistance mécanique (encadrements de portes ; la sole est souvent en béton lourd pour supporter la charge) ; — la facilité de mise en œuvre ; — l’inertie thermique de la paroi ; — la stabilité dimensionnelle.

3.5 Système de chauffage par combustion L’énergie utilisée peut être du fuel lourd (FL) ou domestique (FOD), du gaz naturel ou du gaz de pétrole liquéfié (GPL) ; les brûleurs sont généralement disposés sur les parois latérales pour le traitement thermique est sur la voûte pour la fusion et le maintien à la température du métal liquide.

3.5.1 Choix des brûleurs Une fois définie la nature de l’opération de chauffage envisagée, le choix de l’équipement de chauffe à employer peut se faire en considérant les critères suivants. La température à obtenir a une grande importance aux extrémités des gammes de températures rencontrées ; à basse température, il sera souvent fait appel à des brûleurs fonctionnant en excès d’air ou avec recyclage des produits de combustion ; à haute température, le préchauffage et/ou la suroxygénation de l’air de combustion seront utiles ou nécessaires. 

La nature des produits de combustion exigée, indépendamment de toute autre considération, peut, à elle seule, fixer le choix du brûleur : combustion en défaut d’air avec utilisation complète de l’oxygène, combustion en fort excès d’air sans imbrûlés, absence de NOx . 

La souplesse de fonctionnement exigée, qui est le rapport des puissances maximales et minimales du brûleur à son réglage nominal, est un critère de choix conjoint au brûleur, à son système d’alimentation et au système de régulation. Elle peut être obtenue par modulation de puissance sur le ou les brûleurs, par modulation de leur temps de fonctionnement, par effacement successif de certains brûleurs ou par combinaison de ces dispositions. 

La souplesse de réglage, qui est le rapport des taux d’aération extrêmes pour lesquels le fonctionnement normal du brûleur est assuré, est une grandeur importante pour des équipements multiusages, lorsque l’on souhaite mettre en œuvre des dispositifs de régulation simplifiés ou lorsque les perturbations influant sur le réglage des équipements sont importantes. 

Le bruit engendré par le brûleur devient un critère de choix à prendre en compte dans certains applications. Il est important de noter qu’il ne s’agit pas d’un critère absolu, mais d’un critère qui doit prendre en compte les associations possibles brûleur-four. Il n’y a, en effet, que peu de corrélation entre le bruit engendré par un brûleur essayé à l’air libre et celui engendré par le même brûleur dans un four. Les brûleurs les plus bruyants à l’air libre s’avèrent, dans certains cas, plus silencieux que d’autres en fonctionnement dans une enceinte close.

— sa surface massique, c’est-à-dire la surface disponible pour recevoir la chaleur par convection ou rayonnement rapportée à l’unité de masse à chauffer ; — son oxydabilité, c’est-à-dire son aptitude à développer en surface des pellicules ou des crasses faisant obstacle au transfert de chaleur. La réceptivité thermique du four correspond à son aptitude à servir de relais efficace au transfert de chaleur entre la flamme et le produit à chauffer ; elle dépend notamment de : — son isolation thermique, c’est-à-dire son aptitude à éviter les déperditions par les parois ; — son inertie thermique, c’est-à-dire son aptitude à emmagasiner la chaleur ; cette aptitude s’oppose à l’obtention de bons rendements en période de mise en température, mais contribue à la stabilité du fonctionnement ; — la présence de parois (creusets, moufles, semi-moufles, tubes radiants) faisant obstacle au transfert de chaleur entre la flamme et le produit à chauffer ; — la conception du départ des produits de combustion, assurant ou non, ou mal, un préchauffage de la charge ; — la présence de récupérateurs de chaleur pour préchauffer l’air de combustion. 

3.5.2 Brûleurs à gaz Il existe une grande variété de types de brûleurs à gaz que l’on peut classer par mode d’alimentation en fluides : — les brûleurs à induction d’air atmosphérique, à gaz seul sous pression ; — les brûleurs à mélange au nez alimentés en air froid ; — les brûleurs à mélange au nez alimentés en air préchauffé ; — les brûleurs à mélange au nez alimentés en air suroxygéné ; — les brûleurs à prémélange sous pression ; — les brûleurs oxy-gaz.

3.5.2.1 Brûleur à prémélange air/gaz sous pression Il a une souplesse (1 à 4) limitée pour le fonctionnement et le réglage d’aération. Sa puissance est généralement limitée à 200 kW et il ne permet pas la récupération de chaleur sur les fumées (danger du prémélange chaud). Par contre, il a une température de flamme élevée. 3.5.2.2 Brûleur à induction d’air atmosphérique et gaz sous pression Il utilise l’énergie cinétique d’un jet de gaz issu d’un injecteur pour aspirer l’air ambiant. Ses caractéristiques de fonctionnement sont semblables au précédent (§ 3.5.2.1). Il est simple et peu coûteux mais il est très difficile de maîtriser le réglage des fours équipés de ce type de brûleur du fait de l’influence de la pression du four sur l’admission d’air.



La réceptivité thermique du produit à chauffer correspond à ses aptitudes à absorber la chaleur issue directement ou indirectement de la flamme ; elle dépend notamment de : — sa conductibilité thermique, c’est-à-dire son aptitude à diffuser vers l’intérieur la chaleur reçue en surface ; — son coefficient d’absorption du rayonnement, c’est-à-dire son aptitude à transformer en chaleur une fraction du rayonnement qui frappe la surface ; 

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3.5.2.3 Brûleur oxy-gaz Ce brûleur, qui utilise l’oxygène comme comburant, est nécessaire dans les applications où une température élevée et un flux de chaleur dense sont recherchés ; sa souplesse d’utilisation et de réglagle est très réduite et son coût d’utilisation plus élevé. 3.5.2.4 Brûleur à mélange au nez avec air à faible pression (inférieure à 1 mm H2O soit 9,8 Pa) Il est adapté aux récupérateurs d’énergie en céramique, il peut être à flamme de diffusion axiale, à écoulement divergent ou giratoire du gaz. Il requiert une pression élevée de gaz pour assurer un mélange air/gaz convenable et des artifices particuliers pour stabiliser la flamme.



3.5.2.5 Brûleur à mélange au nez avec air sous pression (50 à 70 mbar) Il peut être : — à flamme axiale à grande vitesse d’air ; — à écoulement concourant des fluides ; — à écoulement giratoire de l’air (flamme murale, flamme boule) ; — à écoulement en contre-rotation. Ce brûleur qui peut être alimenté en air froid, ou à 400 oC (valeur optimale pour récupérateur métallique), ou en mélange à 25 % d’oxygène (valeur optimale), a une grande souplesse de fonctionnement et de réglage et une facilité de changement de combustible. Dans le cas de la grande vitesse d’air, l’échange thermique est favorisé. 3.5.2.6 Brûleurs à fonctions particulières  Brûleur autorécupérateur Pour une installation de puissance inférieure à 500 kW, on peut utiliser des brûleurs dits autorécupérateurs (figure 6) à compacité maximale ; le récupérateur intégré au brûleur engendre des économies d’énergie substantielles. C’est une alternative à l’installation d’un récupérateur sur la cheminée du four. Brûleur radiant Une partie importante du transfert de chaleur vers le produit à chauffer s’effectue par rayonnement d’un matériau réfractaire chauffé par la combustion. Les principaux types de matériels sont : — le panneau radiant lumineux pour applications à basse température (séchage par exemple) dont le rendement de rayonnement (quotient de l’énergie rayonnée sur l’énergie totale consommée) est de 45 % environ (figure 7) ; — le brûleur radiant multiouvreaux haute température dont le rendement de rayonnement est proche de 20 % (figure 8) ; — le brûleur radiant à coupelle dont la puissance nominale varie à 1 à 1 800 kW et le rendement de rayonnement est de l’ordre de 15 % à 1 000 oC (figure 9).

Brûleur de veine d’air Il s’agit d’un équipement modulaire (figure 11) placé dans une gaine de ventilation d’étuve de séchage (ou autre fonction à température inférieure à 400 oC) pour diluer les produits de combustion. La puissance linéaire installée est inférieure à 1 000 kW. 

Figure 7 – Panneau radiant lumineux type multicanaux



Figure 8 – Brûleur radiant multiouvreaux haute température

Brûleur jet Ce brûleur délivre à une vitesse supérieure à 100 m/s les produits de combustion pour chauffer par impact direct ou brasser l’atmosphère d’enceinte afin d’accélérer les échanges de chaleur avec le produit à chauffer ou d’homogénéiser la température d’enceinte (figure 10). 

Figure 9 – Brûleur radiant à coupelle

Figure 10 – Brûleur jet Figure 6 – Brûleur autorécupérateur


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Figure 11 – Brûleur de veine d’air

Figure 12 – Brûleur céramique régénératif

Dans certains cas, il peut assurer l’incinération d’effluents gazeux combustibles (à 850 oC).

3.6 Résistances électriques

Tube radiant Les produits de combustion circulent dans un conduit rayonnant sur la charge, sans contact avec l’atmosphère de l’enceinte.

Il existe plusieurs familles de résistances correspondant chacune à un niveau de température ou un usage spécifique.

Brûleur radiant catalytique ou thermoréacteur à destruction catalytique de solvant Ce brûleur peut fonctionner dans une atmosphère solvantée (séchage et cuisson de peinture).

3.6.1 Résistances métalliques nues





Brûleur régénératif Une unité est composée de deux générateurs et de deux brûleurs revêtus de matériau réfractaire. L’unité fonctionne alternativement selon les deux modes de la figure 12. Ce système permet une économie de 42 % de combustible pour une enceinte à 1 000 oC par rapport à un brûleur à air froid. 

Électrobrûleur Les brûleurs air/gaz sont limités en température et en rendement dans les applications de fusion et de traitement thermique à 1 200-1 400 oC. Au-delà, il faut utiliser de l’oxygène à la place de l’air de combustion ou un électrobrûleur qui a une flamme dopée par un arc électrique permettant d’atteindre des températures de 2 000 oC et plus. 

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Elles sont composées d’alliages en nickel-chrome (1 150 oC maximum) ou en fer-chrome-aluminium (1 300 oC maximum) ou en acier réfractaire ou en Inconel (1 150 oC maximum) et fabriquées avec des fils de section circulaire ou carrée, avec des rubans ou des tubes. La puissance surfacique est de 20 à 30 kW/m 2 pour les fils et les rubans et de 50 à 60 kW/m 2 pour les tubes. Le fil peut être soit boudiné et posé sur un support tubulaire ou sur une rigole isolante, soit formé en épingle accrochée à une paroi. Le ruban, toujours ondulé, est soit placé sur champ sur la sole ou un support continu solidaire de la paroi, soit disposé en boucles verticales sur des supports céramiques solidaires des parois. Les résistances en tubes de faible diamètre peuvent être formées en épingles accrochées aux parois. Les tubes moyens (diamètre 20 à 35 mm ; épaisseur 2 à 4 mm) sont constitués en grille composée de longueurs droites sur lesquelles sont soudés des barrettes de liaison, des supports et des connexions, l’ensemble étant suspendu à la voûte (figure 13). Les tubes de grand diamètre (diamètre 50 à 100 mm ; épaisseur 5 mm au maximum), appelés tubes à passage direct de courant, sont de conception similaire aux résistances précitées mais peuvent être disposés horizontalement et supportés par les parois.



Figure 14 – Résistances en carbure de silicium

Les baguettes de carbure de silicum sont caractérisées par trois dimensions : — le diamètre de 12,7 à 38,1 mm ; — la longueur de chauffe ; — la longueur des traversées de parois (plusieurs dimensions standards).

Figure 13 – Grille de résistances mécanosoudées : schéma de principe

3.6.2 Tubes radiants électriques La résistance nue au contact avec une atmosphère active peut être altérée et avoir une durée de vie réduite. Pour pallier cet inconvénient, on peut la disposer dans un tube pour constituer une bougie chauffante.

3.6.3 Résistances blindées La résistance en fil métallique est noyée dans un isolant électrique, l’ensemble étant contenu dans une gaine étanche métallique. Ces éléments chauffants peuvent être fournis sous forme d’épingles (à la demande) ou en grandes longueurs pour les petits diamètres (2,6 à 5,6 mm) facilement formables.

3.6.4 Résistances non métalliques 3.6.4.1 Le graphite Son emploi est interdit au contact de l’air et de l’oxygène mais la plupart des fours sous vide ou sous gaz inerte utilisent des résistances en graphite couramment sous forme de barreaux de 15 à 25 mm de diamètre pour constituer une sorte de cage (appelée résistor) entourant la charge. La résistivité du graphite varie peu avec la température ; sa température limite d’utilisation est de 2 300 oC environ sous vide. 3.6.4.2 Le carbure de silicium Les résistances en carbure de silicium sont livrées dans leur forme définitive qu’il est impossible de reformer ou d’usiner qu’elles soient pleines (a ,b ,c ) ou creuses ( d ,e ,f ) en U ou en W ( g ). (figure 14). Leur résistivité varie beaucoup avec la température ; les sorties froides (B,C) sont métallisées (A,D) pour réduire leur résistance. Leur température limite d’utilisation est de 1 500 oC dans l’air, de 1 300 oC sous hydrogène et de 1 425 oC sous azote.

3.6.4.3 Le bisiliciure de molybdène (MoSi2) Les résistances en bisiliciure de molybdène (figure 15) sont livrées sous leur forme définitive qu’il est impossible de modifier. Les traversées de paroi font partie de la résistance qui a la forme d’un U. Le matériau est très fragile ; sa résistivité est variable avec la température. La température limite d’utilisation est de 1 650 oC dans l’air, de 1 350 oC sous hydrogène et de 1 200 oC sous vide de 10 –3 Torr (0,133 Pa). 3.6.4.4 Le chromite de lanthane L’utilisation de chromite de lanthane, composé d’oxyde de chrome (Cr2O3) et de lanthane (La 2O3), est exclue en atmosphère réductrice et sous vide. Sa température limite d’emploi est de 1 500 oC dans l’air, 1 400 oC sous atmosphère endothermique, 1 350 o C sous hydrogène, 1 200 oC sous vide de 10 –3 Torr (0,133 Pa).

3.7 Émetteurs infrarouges Un corps recevant une radiation calorifique peut : — en réfléchir une partie ; — en transmettre une partie (par transparence) ; — absorber le reste à sa surface si elle n’est pas du tout transparente ou progressivement dans sa masse. Ces trois fractions, dont la somme est égale à 1, peuvent dépendre de la longueur d’onde de la radiation et de son angle d’incidence. Un corps non transparent est dit gris si son pouvoir absorbant (quotient de la quantité d’énergie absorbée par la quantité d’énergie incidente), inférieur à 1, ne dépend ni de la longueur d’onde ni de l’incidence. La plupart des solides considérés en thermique sont pratiquement des corps gris ; les flammes lumineuses peuvent être assimilées à des corps gris. Les gaz sont transparents mais absorbent une partie des radiations comprises dans certaines bandes de longueurs d’onde (partie appréciable pour la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone).


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On peut citer également : — le tube radiant et le brûleur radiant catalytique (décrits au § 3.6) qui sont également des émetteurs infrarouges ; — le thermoréacteur à destruction catalytique des solvants utilisés en cuisson de peinture. Figure 15 – Résistance en bisiliciure de molybdène

Il existe plusieurs familles d’émetteurs infrarouges correspondant chacune à un niveau de température ou à un usage spécifique.

3.7.1 Émetteurs électriques Ils utilisent tous l’effet Joule mais le transfert de chaleur se fait par rayonnement dans un domaine de longueur d’onde différent selon la technologie et la température de l’émetteur. À haute température, les résistances électriques (décrites au § 3.6) transfèrent leur énergie à la charge, principalement sous forme de rayonnement infrarouge. On utilise le terme d’émetteur infrarouge pour des traitements à basse température où le rayonnement infrarouge est spécialement recherché, de préférence à la convection. Les émetteurs d’infrarouge court sont constitués par des lampes ou des tubes en quartz sous vide ou sous atmosphère neutre contenant un filament de tungstène porté à très haute température (2 000 à 2 500 oC). La partie arrière des lampes forme un réflecteur grâce à un dépôt d’argent ou d’aluminium. Les tubes peuvent être livrés avec réflecteur extérieur. La puissance unitaire des lampes est faible : 150 à 375 W ; celle des tubes va de 500 à 3 000 W selon la longueur chauffante (140 à 700 mm). Les émetteurs d’infrarouge moyen sont composés de résistances en nickel-chrome ou en fer-chrome-aluminium entre 700 et 1 300 oC placées dans des tubes ou des panneaux de silice ou des tubes radiants métalliques. Les émetteurs d’infrarouge long se composent essentiellement d’éléments modulaires : — soit en céramique vitrifiée, chauffée par une résistance de nickel-chrome noyée dans la masse à la température de 300 à 600 oC ; — soit en verre électroconducteur à la température de 300 à 400 oC avec un réflecteur et un isolant en face arrière ; — soit constitués d’un assemblage de tubes de quartz ou de panneaux de résistances situés derrière une plaque de quartz. Ces éléments ne rayonnent pratiquement pas dans le domaine visible ; leur inertie thermique est importante ; la puissance unitaire des émetteurs va de 150 à 3 200 W selon le type.

3.8 Chauffage par induction électromagnétique La charge située dans un champ magnétique variable est le siège de courants induits qui se transforment en chaleur par effet Joule. Le champ magnétique est créé par un inducteur qui est généralement un solénoïde alimenté en courant électrique à 50 Hz ou à une fréquence supérieure par l’intermédiaire d’un onduleur. L’inducteur est façonné à partir de tubes de cuivre à l’intérieur desquels circule de l’eau de refroidissement. Les puissances de chauffe vont de quelques kilowatts à plus de 10 MW.

3.9 Micro-ondes Ce sont des rayonnements hertziens, dont les longueurs d’onde vont du mètre au centimètre, qui sont absorbés par tous les corps liquides et solides dont les molécules sont sensibles à un champ électrique alternatif. L’eau liquide absorbe les micro-ondes de façon privilégiée. Pour des raisons de sécurité des personnes, il faut enfermer ces rayonnements dans une enceinte métallique étanche. Pour ne pas troubler les télécommunications, certaines bandes de fréquence sont affectées aux usages industriels qui sont soumis à déclaration. Le choix de la fréquence est important pour la taille des charges à chauffer car les 2/3 de l’énergie sont absorbés sur une profondeur voisine de la longueur d’onde incidente. Les appareils à micro-ondes comportent trois éléments : — un émetteur (triode ou tubes spéciaux : magnétrons ou klystrons) capable de générer une puissance allant de quelques watts à quelques dizaines de kilowatts avec un rendement de 50 à 75 % ; — un dispositif de transport d’ondes qui peut être un câble coaxial pour les petites puissances ou un tuyau métallique rectangulaire ; — un applicateur qui correspond au four ou à l’enceinte de traitement thermique dont la géométrie va, selon le cas recherché, concentrer ou uniformiser la densité de puissance. L’uniformisation peut être favorisée par des guides d’ondes ou des brasseurs d’onde. Lorsque le traitement doit être réalisé en continu (sur un tapis roulant par exemple), l’applicateur est à guides rayonnants ou guides fendus complété par des filtres et des pièges à ondes.

3.7.2 Émetteurs à combustibles Les brûleurs radiants, utilisant généralement le gaz, réalisent la combustion d’un prémélange air/combustible à l’intérieur ou à proximité d’une surface métallique ou céramique qui, portée à température, rayonne sur la charge. La flamme est inapparente ou peu apparente et dans certains cas les produits de combustion sont rejetés à l’extérieur de l’enceinte sans contact avec la charge. Quelques exemples de brûleurs radiants (§ 3.5.2.6) sont donnés ci-après : — le brûleur obscur (une surface métallique est chauffée par une rampe à trous alimentée en prémélange, sans flamme visible) ; — le brûleur multicanaux ; — le brûleur multiouvreaux (figure 8) ; — le brûleur poreux ; — le brûleur à coupelle (figure 9) ; — le brûleur à mise en rotation de l’air (flamme plane ou flamme boule).

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4. Bilans énergétiques et dimensionnement 4.1 Bilan thermique L’établissement du bilan thermique d’un four a pour but de déterminer son rendement et sa consommation spécifique, c’est-à-dire la consommation rapportée à l’unité utile produite : tonne ou kilogramme de pièces, pièce unitaire type, etc. Cela suppose la connaissance la plus précise possible de tous les flux entrant et sortant du four (matières et produits divers, énergies diverses, etc.) et une bonne interprétation des phénomènes thermiques dont le four est le siège.



L’établissement du bilan doit se faire en deux temps : d’abord l’élaboration du bilan prévisionnel, c’est-à-dire le calcul de la consommation probable du four dans des conditions théoriques bien déterminées d’exploitation. Ce calcul peut et doit se faire avant la construction du four. Son résultat peut même être un élément important du choix du four. Lorsque ce dernier est en exploitation, le deuxième temps est abordé : vérification du bilan prévisionnel par mesure directe de la consommation. Le schéma simplifié (figure 16 ) permet de faire le bilan des énergies Q i (en kWh) pour un chauffage à combustible ou un chauffage électrique pendant la durée d’un traitement s’il s’agit d’un four à charge. Dans le cas du four continu, le bilan sera fait sur un temps unitaire défini (1 h par exemple) et les masses seront remplacées par des débits-masses (en kg/h, par exemple). On note par : Q 1 la chaleur de combustion apportée par le combustible ; Q 2 la chaleur (ou enthalpie) sensible apportée par le combustible ; Q 3 la chaleur (ou enthalpie) sensible apportée par l’air entrant (y compris l’air comburant) et les gaz introduits (§ 4.4.5 et § 4.4.6) ; Q 4 la chaleur apportée par la charge ; Q 5 la chaleur apportée par les accessoires (support de charge, etc.) ou produits accompagnant la charge ; Q 6 la chaleur consommée pour le traitement (chaleur utile) ; Q 7 la chaleur (ou enthalpie) sensible perdue par les fumées ; Q 8 la chaleur latente (ou enthalpie de changement d’état) perdue par les fumées ; Q 9 la chaleur perdue par la charge ; Q 10 la chaleur perdue par les accessoires ; Q 11 la chaleur perdue par les parois et les ouvertures (§ 4.2, § 4.4.1, § 4.4.2, § 4.4.3 et § 4.4.4) ; Q 12 la chaleur apportée par l’électricité pour le brassage ou le chauffage intérieur ; Q 13 la chaleur accumulée dans les parois (§ 4.3) et les divers accessoires restant dans le four (la valeur est nulle pour le four continu en régime permanent ; dans le cas d’un four à charge, cette chaleur est perdue totalement ou en partie selon la fréquence des cycles). On peut établir les relations suivantes : Q 1 = m PCS

avec m (en kg) PCS (en kWh/kg)

masse de combustible, pouvoir calorifique supérieur du combustible. Q 2 = m c g T g

avec c g (en kWh · kg–1 · K –1) capacité thermique massique du combustible, T g (en oC) température du combustible. Q 3 = M a c a T a

avec M a (en kg)

masse d’air (comburant et aspiré) et du gaz entrant ; l’air aspiré peut être l’excès d’air des brûleurs ou l’air entrant par les ouvertures, –1 –1 c a (en kWh · kg · K ) c a pa c i té t h e r mi q u e m as s i qu e moyenne de l’air et du gaz entrant, température moyenne de l’air et du T a (en oC) gaz entrant. Q 4 = M c c T 1

avec M (en kg) masse de la charge, –1 –1 c c (en kWh · kg · K ) capacité thermique massique de la charge, o T 1 (en C) température d’entrée de la charge et des accessoires.

Q 5 = M d c d T 1

avec

c (en kWh · kg –1 · d

M d (en kg)

K–1) capacité thermique massique des accessoires, masse des accessoires. Q 6 = M C r

avec C r (en kWh/kg) chaleur de traitement. Cette chaleur de traitement peut être la somme de chaleur sensible et de chaleurs de réaction ou de changement de phases. Q 7 = M f c f T f

avec M f (en Kg) masse de fumées, –1 –1 c f (en kWh · kg · K ) capacité thermique massique des fumées, T f (en oC) température des fumées. Q 8 = M f C 8

avec C 8 (en kWh/kg) chaleur latente des fumées augmentée du pouvoir combustible de certains constituants rejetés le cas échéant. Q 9 = M c c T 2

avec T 2 (en oC) température de la charge sortante et des accessoires. Q 10 = M d c d T 2

Les termes utilisés dans le bilan thermique sont : — l’énergie entrante : Q 12 + Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 — l’énergie utile : Q 6 — l’énergie stockée : Q 13 — l’énergie sortante : Q 7 + Q 8 + Q 9 + Q 10 + Q 11 — le rendement : Q 6 /( Q 1 + Q 12) — l’énergie entrante = énergie stockée + énergie sortante. Dans le cas d’un chauffage électrique, les termes liés au combustible et au fumées disparaissent. Les capacités thermiques massiques sont, en général, variables avec la température ; il faut donc prendre une valeur



moyenne dans l’intervalle de température ou intégrer c dT . Généralement, le traitement et les réactions chimiques éventuelles se font à pression constante (atmosphérique) et il n’y a pas de travail mécanique. Les énergies précitées sont des variations d’enthalpie, le bilan précédent est un bilan enthalpique. Il est facile de trouver dans les tables les enthalpies des fumées et de l’air, les enthalpies de formation, de réaction chimique ou de changement de phase des produits.

4.1.1 Exemple de bilan thermique d’un four de fusion de fonte à arc électrique La figure 17 précise l’installation, ses auxiliaires et les points de mesure. Un bilan thermique est réalisé par mesures et calculs sur le système constitué par le four existant avec ses électrodes et ses auxiliaires (transformateur électrique, circuits d’huile et d’eau) dans lequel on enfourne des matières solides et on récupère, en sortie, de la fonte liquide (24 t à 1 400 oC), du laitier, des poussières, des gaz.


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L’huile hydraulique sert à la manutention des électrodes ; l’eau est utilisée pour refroidir la partie supérieure du four, les câbles électriques et le transformateur. Un bilan matières est réalisé par pesage. Une mesure des débits et des températures d’air et d’eau permet d’évaluer les pertes thermiques. Dans le cas présent, les formules du § 4.1 sont à adapter comme suit. Les termes Q 1, Q 2 ainsi que l’air comburant n’existent que pendant la phase de préchauffage gaz du premier cycle hebdomadaire (non étudié). Q 3, Q 4 et Q 5 sont négligeables car la température de 25 oC est prise comme référence. Q 5 , Q 10 concernent les matières introduites avec la charge et retrouvées à la sortie hors du métal liquide (laitier, poussières, gaz). Q 6 est égale à Q 9 qui est l’enthalpie du métal liquide sortant dont le détail de calcul est précisé ci-après (§ 4.1.2). Q 11 passe dans sa quasi-totalité dans l’eau et l’air aspiré dont les débits et la température ont été mesurés à l’exception d’un peu de rayonnement, estimé à 5 % de Q 11 , car l’environnement du four reste à la température ambiante. Q 12 est apportée par les arcs électriques et les auxiliaires électriques (moteurs de pompes et ventilateur). Q 13 ne concerne que le premier cycle (non étudié) car les suivants démarrent avec un four chaud. L’énergie utile Q 6 a été calculée pour chacune des nuances de fonte à partir des enthalpies précisées dans les tables pour la température de 1 400 oC, à l’état liquide pour chacun des éléments constituant la fonte corrigée par l’enthalpie de dissolution. Les mesures de consommations électriques des auxiliaires (ventilateur, pompes, etc.) permettent de faire un bilan global (voir figure 18). Deux ratios de consommations d’énergie par tonne de fonte liquide sont déterminés : — 474 kWh/t pour le four seul ; — 495 kWh/t pour le four avec auxiliaires.

l’énergie entrante est égale à Q 1 ; l’énergie sortante est égale à Q 7 + Q 8 + Q 9 + Q 10 + Q 11 .

Figure 16 – Schéma simplifié d’un four pour bilan thermique

4.1.2 Exemple de bilan thermique d’un four de traitement thermique La figure 19 précise l’exemple de la cémentation avant trempe. Le four poussant existant (four tunnel), de 6,4 m de longueur, a une capacité de traitement à 920 oC de 200 kg/h avec un cycle séquentiel d’enfournement de plateaux (supports de pièces) variable de 50 à 60 min (entrée et sortie rapides d’un plateau toutes les 55 min en moyenne). Le four comporte un sas d’entrée contenant un plateau, une zone de traitement contenant 9 plateaux avec atmosphère contrôlée, une zone de diffusion chauffée à 840 oC contenant un plateau, un sas de défournement contenant un plateau. Le temps de séjour des pièces dans la partie chauffée du four varie de 500 à 600 min. Le chauffage au gaz naturel par 36 tubes radiants est régulé en 4 zones comprenant chacune un ventilateur de brassage. L’atmosphère de la zone de traitement est créée par injection d’azote, de méthanol et de gaz naturel. Une mesure des consommations de gaz et des températures des 4 zones est faite en continu pendant 1 mois. Dans le cas présent (§ 4.1), pour la production normale moyenne en régime établi : Q 2, Q 3, Q 4, Q 5 sont nuls car la température ambiante est prise comme référence des enthalpies ; Q 6 = 8 % de Q 1 ; Q 7 + Q 8 = 60 % de Q 1 ; Q 9 = 91 % de Q 6 soit 7,3 % de Q 1 ; Q 10 = 60 % de Q 9 soit 4,3 % de Q 1 ; Q 11 = 28,4 % de Q 1 dont 2 % par l’injection de gaz d’atmosphère ; Q 12 est négligé ; Q 13 est l’énergie accumulée par les parois, constante en régime établi ;

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Figure 17 – Principe du four à arc et instrumentation

Figure 18 – Bilan énergétique



Figure 19 – Four de cémentation à passage trempe directe

Quelques jours sans production de pièces révèlent la puissance de maintien du four qui est de 136 kW. Les jours de production normale (2 500 à 3 400 kg) indiquent une puissance appelée variable de 182 à 273 kW. Les consommations pour brûlage des suies sont relevées. La consommation spécifique calculée varie de 2 à 2,4 kWh/kg quand la production varie de 2 500 à 2 700 kg/j. Le rendement varie de 2,6 à 13,2 % (hors auxiliaires) avec une moyenne de 8 %.

4.1.3 Exemple de bilan thermique d’un séchoir de calcaire L’installation existante (figure 20) comprend un broyeur équipé de 2 moteurs d’une puissance unitaire de 160 kW, un brûleur propane à veine d’air qui sèche le matériau, un cyclone séparant l’air du produit, une cheminée de rejet des gaz à l’atmosphère et, en projet, un équipement de récupération d’énergie. La production maximale est de 18 t/h de calcaire avec une humidité initiale de 3 % en masse et une humidité finale de 0,3 %. Le produit fini a une granulométrie de 160 µ m ; les particules supérieures sont recyclées par le cyclone dans le broyeur ; les poussières sont rejetées en partie dans l’atmosphère (50 mg/Nm 3) avec les gaz brûlés, l’air en excès et la vapeur d’eau. 1 normomètre cube (Nm 3) = 1 m3 de gaz mesuré dans les conditions normales de pression (1,013 bar) et de température (0 oC). Le brûleur est modulé par un régulateur de température qui maintient les gaz à 120 oC en sortie de broyeur. Dans la solution existante, le débit d’air est de 10 200 Nm 3 /h, la température de gaz est de 350 à 450 oC à l’entrée du broyeur. Avec l’option d’économie d’énergie, une pompe à chaleur sur les rejets atmosphériques permet d’insuffler de l’air sec à 100 oC environ, ce qui réduit de 23 % la consommation de propane.

Figure 20 – Installation existante d’un séchoir de calcaire à améliorer


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Le bilan enthalpique présenté sur la figure 21 précise la répartition des matières, des gaz et des puissances pour la solution existante. La figure 22 donne le bilan avec les modifications induites par l’économie d’énergie.

4.1.4 Exemple de bilan thermique d’étuve de séchage de produits pulvérulents Une étuve existante de 6 m de long doit sécher 322 kg de produit pharmaceutique disposé dans des plateaux reposant sur 4 chariots en file (45 plateaux par chariot). Une porte permet l’entrée des chariots en début de cycle et la sortie en fin de séchage. L’humidité initiale du produit est de 2,5 % et l’humidité finale est de 0,4 % au bout de 22 h 30 min. Principe de séchage : un ventilateur de 4 200 m 3 /h assure la circulation de l’air à l’intérieur de l’étuve après chauffage par des batteries de résistances électriques. Le séchage s’effectue à une température moyenne de 45 à 50 oC. 90 % de l’air repris de l’étuve est mélangé avec de l’air neuf avant de le faire recirculer dans l’étuve. L’humidité de l’air neuf entrant et celle de l’air humide extrait sont mesurées ; la différence permet de calculer le débit d’eau prélevé au produit qui est de 0,59 kg/h en début de cycle et de 0,25 kg/h en fin de cycle. Au total, 6,7 kg d’eau et autres composants volatils sont évacués. Les compteurs d’énergie électrique indiquent 47 kWh pour les résistances et 34 kWh pour le ventilateur. L’énergie utile pour évaporer l’eau est inférieure à 10 % de l’énergie totale consommée ; la figure 23 représente le bilan énergétique de cette étuve.

T p ou T N (en K) la température de paroi externe, N étant le

nombre de couches, T 0 (en K) la température de paroi chaude. Le terme ( 1  h + ∑ e i  λ i + 1  α ) représente la résistance thermique du mur, dont, théoriquement, tous les termes sont connus. Cette résistance, dans le cas des fours, est de l’ordre de 1,5 à 2 m 2 · K/W. Le coefficient h d’échange, entre ambiance de four et paroi chaude, est de l’ordre de 200 à 400 W/(m 2 · K). Le coefficient α d’échange, entre paroi froide et ambiance extérieure, est de l’ordre de 10 W/(m 2 · K) ; un détail du calcul de ce coefficient est donné plus loin (§ 4.2.2).

4.2 Pertes par une paroi 4.2.1 Calcul du flux à travers une paroi plane composite en équilibre thermique (régime stationnaire) Une paroi de four comporte généralement plusieurs épaisseurs de nature différente comme le schématise la figure 24. On appelle : Q en (Wh) l’énergie traversant la paroi qui est une partie de Q 11 du § 4.1. Le flux traversant le mur à l’équilibre (en W/m2) est :

Figure 21 – Bilan enthalpique du séchoir de calcaire

P = Q / S t

avec

S (en m2)

la surface du mur, le temps. t (en h) Par application des lois de transfert de chaleur à ce mur de grandes dimensions, le flux traversant la paroi en équilibre s’écrit : P = h (T F – T 0) = λ 1 (T 1 – T 0)/ e 1 = λ 2 (T 2 – T 1)/ e 2 = … = λ i (T i – T i – 1)/ ei = … = α (T p – T A )

avec h et α (en W · m –2 · K–1) coefficients d’échange entre ambiance de four et paroi, et entre paroi et ambiance externe. Cette relation peut s’écrire : P =

T F – T 0

T 1 – T 0

1  h

e 1  λ 1

------------------ = ------------------ =

…

=

T i – T i

–

1

----------------------

e i  λ i

=

avec T A (en K) T F (en K) T i (en K)

BE 9 510 − 14

…=

T F – T A

--------------------------------------------------------

1  h + ∑ e i  λ i + 1  α

la température ambiante externe, la température interne du four, la température après la couche n o i d’épaisseur e i (en m) et de conductivité thermique λ i (en W · m –1 · K–1),

Figure 22 – Bilan enthalpique du séchoir de calcaire tenant compte des modifications induites par l’économie d’énergie



4.2.2 Échange paroi-ambiance extérieure L’échange entre la paroi externe et l’ambiance se fait simultanément par rayonnement et par convection naturelle. Ainsi, la valeur du coefficient d’échange α dépend de la température de la paroi et de son émissivité. Nous pouvons admettre, pour le flux sortant, (en W/m2), la formule suivante : P = 4,65 [(T p /100) 4 – (T A /100) 4] + hc (T p – TA ) 1,25

Le premier terme correspond au rayonnement (pour une paroi ayant une émissivité de 0,82). Le second terme correspond à la convection ; pour un four courant et dans un calcul global, on peut prendre la valeur moyenne, toutes parois confondues : hc = 2 W/(m2 · K).

4.3 Énergie accumulée dans une paroi

Figure 23 – Bilan énergétique d’une étuve de séchage de produits pulvérents

L’estimation de la valeur de cette énergie ne pose pas de problème lorsque l’équilibre thermique est atteint (problème statique). En revanche, le calcul de l’évolution de l’énergie qui s’accumule dans la paroi avant la mise en équilibre (problème dynamique) est beaucoup plus délicat. Le calcul des pertes ayant permis d’obtenir les températures d’interfaces T 1, T 2, ..., T i , nous évaluons sans difficulté l’énergie accumulée Q (en Wh) à l’équilibre, en partant d’une paroi préalablement à la température ambiante : Q  S =

∑ ρ i c i e i



T i + T i

–

1

----------------------- –

2



T A

avec c i (en Wh · kg –1 · K–1) capacité thermique massique du matériau de la couche i , e i (en m) épaisseur de ce matériau, 2 S (en m ) surface de paroi, 3 ρ i (en kg/m ) masse volumique de ce matériau. Contrairement à la conductivité thermique, la capacité thermique massique des différents matériaux ne varie pratiquement pas avec la température et varie assez peu d’un matériau à l’autre. Pour les matériaux silico-alumineux (briques lourdes ou légères, fibreux et laine de roche), la valeur la plus courante est de 0,28 Wh/kg · K) avec les valeurs extrêmes de 0,26 et 0,31. Les panneaux de silicate de calcium présentent des valeurs plus faibles : de 0,2 à 0,23 Wh/(kg · K). Figure 24 – Schéma de la paroi d’un four

Pour la quasi-totalité des matériaux dans le domaine normal des températures d’emploi, la conductivité thermique suit la loi : λ = λ 0 exp k (T – 273)

avec T (en K) température thermodynamique, λ 0 conductivité thermique à 0 oC. Exemple de conductivité thermique : Réfractaire léger (ρ = 1 100 kg/m3) : λ 0 = 0,304 W/(m · K ) ; k = 371 × 10 –6

Fibre céramique (42 % Al2O3 ; ρ = 128 kg/m3) λ 0 = 0,031 W/(m · K ) ; k = 2 177 × 10 –6

4.4 Pertes diverses 4.4.1 Ponts thermiques Une paroi de four comporte un certain nombre de singularités : arbres de ventilateurs, embouts de rouleaux, gaines de thermocouples, tiges de fixation des fibres, etc., qui entraînent des pertes d’énergie. Le tableau 3 donne deux exemples de ponts thermiques occasionnant : — une surchauffe localisée de la carcasse du four d’épaisseur 4 mm ; — une perte d’énergie du four pour une paroi de 250 mm. (0)


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Par exemple, une dépression de 1 mm H 2O (9,8 Pa) au droit d’un orifice de 1 dm 2 engendre une perte P de 11 kW environ dans un four à 900 oC, estimée de la manière suivante avec : • ∆ p dépression égale à 10 Pa ; • ρ masse volumique de l’air à 20 oC égale à 1,29 kg/m 3 ; • c vitesse de sortie d’air égale à :

Tableau 3 – Ponts thermiques occasionnant une surchauffe localisée de la carcasse du four d’épaisseur 4 mm et une perte d’énergie du four pour une paroi de 250 mm Température Pont thermique du four ......................... (en oC) Tige (1) Tube (2)

Surchauffe de la carcasse..............(en oC) Perte.............................(en W) Surchauffe de la carcasse..............(en oC) Perte............................. (en W)

300

500

700 900

2 1

4 2

7 3

9 4

14 7

26 13

39 20

55 27

c = (2 ∆ p / ρ) 1/2 = 4 m/s

• c p capacité thermique massique à pression constante de l’air à 20 oC égale à 1 kJ · kg –1 · K–1. Le débit correspondant est : q m = 4 × 0,01 × 1,29 = 0,05 kg/s

La puissance perdue P est :

(1) Tige de fixation de fibre de diamètre 8 mm soudée à la carcasse. (2) Une gaine de thermocouple (tube de 26-34 soudé à la carcasse).

P = q m c p ∆T = 0,05 × 1 × (900 – 20) = 44 kW

4.4.2 Rayonnement à travers un orifice

4.5 Échanges thermiques avec la charge

Ces pertes dépendent de la température, de la section de l’orifice et de l’épaisseur de la paroi. Par exemple, le tableau 4 donne la perte provoquée par un orifice cylindrique dans une paroi de 250 mm d’un four à différentes températures. (0)

4.5.1 Rayonnement

Tableau 4 – Perte (en KW/m 2) provoquée par un orifice dans une paroi de 250 mm, à différentes températures Diamètre de l’orifice

Température (oC)

(mm)

500

700

900

1 100

50 100 200 400

3 4 7 10

7 14 21 29

18 28 43 50

38 55 82 110

4.4.3 Joint d’étanchéité Lorsque l’étanchéité du four est assurée par un joint de sable, les pertes engendrées dépendent des longueur et largeur de joint. Par exemple, un joint de 50 mm induit une perte dans un four à 1 000 oC de 1,8 kW/m de joint.

4.4.4 Ouvertures de porte Ces pertes de même nature que celles du paragraphe 4.4.2 dépendent du temps d’ouverture et de la surface de la porte. Par exemple, un four à 900 oC aura une perte d’environ 1,5 kWh/(m 2 · min) soit 90 kW.

4.4.5 Chauffage de l’atmosphère Lorsqu’un four requiert une atmosphère particulière, l’énergie nécessaire pour chauffer le gaz d’atmosphère introduit n’est pas négligeable. Par exemple, il faut 0,35 kWh pour chauffer 1 m 3 d’azote à 900 oC.

4.4.6 Entrées et sorties d’air La pression à l’intérieur du laboratoire (ou enceinte) peut être différente de la pression atmosphérique ce qu peut entraîner des entrées d’air froid ou des sorties de gaz chauds, ou les deux à la fois, si la pression intérieure n’est pas uniforme.

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La puissance reçue P r (en W) par la charge de surface S c (en m2) et d’émissivité εc entourée par les parois du four de surface S F et d’émissivité εF : P r =

4 σ ε r S c ( T F –

4

T c )

avec T F (en K) température moyenne des surfaces émettrices (parois, résistances ou flammes...), T c (en K) température moyenne de la charge, εr l’émissivité résultante : 1  ε r = 1  ε c +  ( 1  ε F ) – 1  S c  S F ) ( e n p r e n a n t ε r = εc , l’erreur commise est faible. Les valeurs approximatives d’émissivité sont 0,8 pour l’acier, 0,4 pour le laiton et 0,15 pour l’aluminium moulé), = 5,67 × 10 – 8 W · m – 2 · K – 4 constante de Stefanσ Boltzmann.

4.5.2 Convection L’échange par convection entre la charge et l’atmosphère du four de température T A (en K) fournit à la charge une puissance (en W) : P c = α (T A – T c ) S c α dépend

de la vitesse des gaz v (en m/s) au contact de la charge et de la température des gaz T A . L’expression simplifiée de α pour de l’air est : α =

)1/2 2,3 + 195 ( v / TA

4.6 Dimensionnement Dans le cadre d’un investissement pour installer un nouveau four ou pour modifier un four existant, il est nécessaire de calculer les échanges thermiques et de définir un cahier des charges fonctionnel. Les formules de calcul simples rappelées aux paragraphes 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 et 4.5 sont généralement suffisantes pour un prédimensionnement ou pour établir un coût d’exploitation énergétique ; pour une meilleure précision de calcul, il peut être utile de faire une modélisation avec un logiciel approprié (§ 4.7). Si le problème posé est difficile (nouvelle conception de four, produit à traiter délicat, exigence de température précise, etc.), cette modélisation est nécessaire pour démontrer la faisabilité d’un projet et pour optimiser les paramètres de fonctionnement au démarrage de l’installation.



4.7 Modélisation

4.7.5 Déroulement d’une étude avec modélisation

Il existe des logiciels développés par les constructeurs et les bureaux d’études pour leur propre usage. Il existe également des codes de calcul disponibles sur le marché dont certains sont cités ci-après.

La géométrie du système thermique est décrite en 2 ou 3 dimensions dans un mailleur ou préprocesseur ; les propriétés des matériaux ainsi que les conditions aux limites (températures ou flux thermiques, etc.) sont ensuite saisies. La résolution mathématique dure de quelques minutes à quelques jours selon le code, la complexité du maillage et le matériel informatique utilisé ; les résultats sont exploités graphiquement dans un postprocesseur .

4.7.1 TMG diffusé par SDRC Ce code de calcul (TMG : thermal model generator ) modélise, en géométrie tridimensionnelle, les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement sur station de travail (type HP 9000). Les propriétés physiques des matériaux peuvent dépendre de la température. L’utilisateur décrit la géométrie du four et les caractéristiques des matériaux (qui peuvent dépendre de la température). Il indique les conditions initiales de température et de chauffage pendant le traitement. Le logiciel peut fournir la cartographie des températures en tout point du four et de la charge en tout instant du cycle.

4.7.2 NISA diffusé par Transoft Ce code de calcul modélise, en géométrie tridimensionnelle, les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement (simplifié) sur micro-ordinateur PC (processeur 486 ; 16 Mo de RAM ; disque dur 500 Mo). Il est couplé avec un calcul de contraintes mécaniques et de déformations des matériaux.

4.7.3 Le code de calcul Phoenics C’est un outil informatique qui permet de mettre en œuvre des modèles physiques (turbulence, thermique, combustion, etc.) et de représenter des géométries complexes en 3 dimensions. Il permet de simuler le fonctionnement d’un four à combustible à l’intérieur duquel les champs de pression, de vitesse, de turbulence et de température sont déterminés.

4.7.4 FLUX 2D diffusé par Cedrat C’est un logiciel de CAO destiné principalement à l’électrotechnique mais aussi au chauffage par induction, passe de courant électrique et transferts thermiques, construit autour d’un processeur bidimensionnel de calcul des champs magnétique, électrique et thermique. Il est de conception modulaire et chaque module permet de traiter un type de problèmes : — le module magnétodynamique traite les problèmes d’électromagnétisme en régime permanent, avec courant alternatif normal au plan de la figure et des matériaux conducteurs magnétiques ou non ; — les modules thermiques permanent et évolutif étudient les phénomènes thermiques avec les matériaux à capacité thermique massique, à conductivité thermique isotrope ou anisotrope avec surfaces à échanges convectifs et radiatifs ; — les autres modules ne concernent pas la thermique. Le logiciel comprend un mailleur et un descripteur de propriétés physiques, de sources de chaleur et de conditions aux limites ; il permet de visualiser les grandeurs sous forme de cartes de couleur, de courbes d’évolutions spatiale et temporelle et de calculer les grandeurs locales et globales ; les entrées peuvent être personnalisées avec des sous-programmes extérieurs en fortran. Le logiciel est implantable sur station de travail (type HP 9000) et micro-ordinateur PC (Pentium 100 MHz ; 16 Mo RAM ; 1 Go disque dur).

4.7.6 Exemple de modélisation simple Une pièce en forme de couronne de 8 860 mm de diamètre extérieur et 650 mm de hauteur, en acier 28NCD6 ou 42NCD6 (voir géométrie figure 25), requiert une dureté précise : 495 HB en peau et 420 HB à 50 mm de sa périphérie cylindrique réduite à 300 HB après revenu à 600 oC ; l’intérieur et les autres surfaces ne doivent pas être durcies. La pièce est chauffée dans un four cloche circulaire ayant 6 brûleurs jet au gaz naturel sur sa paroi verticale soufflant un jet tangentiel à la surface à durcir. La vitesse très élevée des gaz brûlés (100 m/s) crée une circulation rapide des gaz chauds autour de la pièce induisant un bon coefficient d’échange thermique par convection. La pièce de 37,5 t est portée à la température de surface de 920 oC en 15 h 30 min ; le four est ensuite maintenu 14 h à cette température pour homogénéiser la température de la pièce. La trempe est réalisée en soufflant de l’air frais, dès que l’épaisseur de matière à durcir a atteint sa température d’austénitisation, par des lances de soufflage tangentiel situées entre les brûleurs et alimentées en air frais par un gros ventilateur placé sur la voûte du four. La durée de trempe est de 1 h, la température de fin de trempe est de 250 oC. Le coefficient d’échange thermique par convection est calculé et introduit dans le programme de calcul de l’évolution de température de la pièce en fonction du temps. Connaissant la vitesse de refroidissement en tout point de la pièce, on peut prédire avec les courbes TRC (diagramme de transformation en refroidissement continu) [13] de la nuance d’acier traité, les duretés en tout point et donc vérifier la faisabilité du problème posé. Si le résultat de la modélisation ne correspond pas au problème posé, il faut recommencer la simulation en modifiant un paramètre, soit la température de fin de chauffage, soit la vitesse des jets d’air, soit la nuance d’acier, etc. Dans le cas présent, après plusieurs itérations, une solution acceptable a été trouvée : la figure 26 représente les tracés des isothermes dans la pièce après 1 000 et 3 600 s de trempe. Les courbes d’évolution de la température au cours du temps en un point placé à mi-hauteur en peau (figure 27 a ) et à 50 mm de la surface (figure 27 b ) comparées aux courbes TRC des aciers concernés permettent d’affirmer que les duretés requises sont obtenues.

Figure 25 – Chauffage d’une pièce en couronne dans un four cloche circulaire


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4.8 Cahier des charges

Figure 26 – Tracés des isothermes dans la pièce après trempe

Après avoir défini ses besoins justifiant un investissement : augmentation de capacité, amélioration de qualité ou de productivité, etc., l’utilisateur doit faire une étude technico-économique permettant à la fois de juger de la faisabilité technique de son projet et de la rentabilité de son investissement. Cette étude peut être faite en interne ou avec l’aide de consultants extérieurs. Dès que l’utilisateur a décidé d’investir, il va consulter les constructeurs pour avoir des offres de fourniture du matériel souhaité, comparer les offres reçues, choisir un constructeur et lui passer commande. Pour faciliter les relations avec les constructeurs de fours et autres fournisseurs et éviter les difficultés résultant de limites de fournitures mal définies ou une insatisfaction de l’utilisateur après démarrage de l’équipement, l’utilisateur a intérêt à bien définir ses besoins et les formuler dans un cahier des charges qui sera joint à l’appel d’offre et à la commande. Le cahier des charges doit être aussi complet que possible et préciser : — les éléments extérieurs ayant des interactions avec le four : énergie, cycle thermique, manutention, etc. ; — les étapes du cycle de vie : transport, montage, mise en service, réception, etc. ; — les fonctions demandées. Pour les fours à résistances, il existe un cahier des charges fonctionnel type diffusé par le GEFAR (Groupe d’études des fours à résistances).

5. Exploitation Indépendamment de la qualité du matériel, les conditions d’exploitation du four ou de l ’étuve vont influencer ses performances.

5.1 Préchauffage Les fours continus doivent être mis en température avant introduction des premières charges. La durée de préchauffage dépendant de l’inertie thermique du four doit être connue pour bien planifier la production et la présence du personnel de conduite. Si les arrêts de production sont de courte durée, il peut être intéressant de maintenir le four en température. Les fours discontinus peuvent aussi, dans certaines circonstances (cadence de production proche de la capacité du four ou délai de fabrication court), être préchauffés ou maintenus à une température inférieure ou égale à celle du traitement. Si le système de contrôle-commande du four le permet, le préchauffage et le maintien peuvent se faire en l’absence du personnel de conduite.

5.2 Défournement. Enfournement Figure 27 – Évolution de la température dans la pièce après trempe

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Pour les fours discontinus, la charge à traiter est préparée le plus souvent pendant l’exécution du traitement de la charge précédente. La préparation peut être un conditionnement, un contrôle, un pesage, un traitement de surface, etc. La durée de défournement et d’enfournement est à prendre en compte dans la production du four.



5.3 Cycle thermique Le cycle thermique représenté par une courbe de température en fonction du temps est dans les cas simples composé d’une montée en température, d’un maintien en température et d’un refroidissement. La figure 28 donne un exemple pour un cycle de recuit d’acier. Le cycle thermique imposé par le traitement à effectuer doit être respecté avec une certaine précision de température et une certaine homogénéité de température à l’intérieur du four et de la charge. Pour des traitements à cœur de charges massives, le cycle doit être allongé par adjonction de paliers pendant la montée pour tenir compte du temps de diffusion de la chaleur au cœur de la charge.

Figure 28 – Cycle de recuit pour un acier

5.4 Régulation de température Un four ou une étuve comporte une ou plusieurs zones de régulation pour assurer le cycle avec homogénéité. Chaque zone comporte une boucle de régulation pilotant un équipement de chauffage affecté à cette zone. Chaque boucle de régulation est composée d’un (ou plusieurs) capteurs de température (thermocouple ou lunette infrarouge), d’un régulateur plus ou moins sophistiqué et d’un système de modulation de puissance.

5.4.1 Régulateur tout-ou-rien C’est le plus simple des régulateurs. Il s’agit d’un simple thermostat muni d’un organe de commande du type relais ou contacteur qui allume ou éteint toute la puissance de chauffage lorsque la température ambiante du four atteint la consigne basse ou la consigne haute réglées préalablement. Le régulateur tout-ou-rien, outil simple et bon marché, peut donner satisfaction si on n’exige pas une trop grande précision de température, si l’inertie de la mesure ne pose pas de problème et si la puissance pilotée est faible. Il existe des régulateurs tout, peu ou rien qui s’apparentent au précédent.

5.4.2 Régulateur PID Avec un régulateur PID, la puissance de chauffage est modulée par trois actions.

L’action proportionnelle : la diminution de puissance a lieu dès que la température entre dans la bande proportionnelle BP (exprimée en pourcentage de la valeur de pleine échelle de la température du régulateur en oC), ce qui a pour effet de lisser la courbe de température et d’éviter les dépassements (voir exemple sur la figure 29). 

L’action intégrale a pour effet d’annuler l’erreur statique introduite par l’action proportionnelle (qui coupe le chauffage quand la consigne est atteinte alors que le four a toujours besoin de puissance pour se maintenir à température). Le principe de cette action est d’ajouter à la première un terme résultant de l’intégration de l’erreur ε entre consigne et mesure.

Figure 29 – Action proportionnelle d’un régulateur PID

En faisant le total des trois actions, on évalue le rapport des puissances de chauffage par la formule : P -------------P maxi

1 BP × pleine échelle

= ----------------------------------------------------

  1 ε + ---t c

t

0

ε dt

+



d ε t d ------d t

avec BP bande proportionnelle BP, t c et t d paramètres de temps réglables. Les régulateurs PID autoréglables dispensent l’utilisateur d’ajuster les trois paramètres précités.

5.4.3 Régulation autoadaptative La méthode PID est remplacée par une méthode plus complexe. Le régulateur numérique s’adapte automatiquement aux variations du four, de la charge, de la consigne, etc.



L’action dérivée a pour but de contrer l’instabilité créée par l’action intégrale ; elle consiste à ajouter à la commande de puissance un terme résultant de la dérivée de l’erreur entre consigne et mesure. 

5.4.4 Modulation de puissance Le système de modulation de puissance piloté par le générateur est en général : — pour les fours à combustible, une ou plusieurs vannes de régulation de débit ou un dispositif de pilotage du temps de fonctionnement des brûleurs ; — pour les fours à résistances électriques, des gradateurs à thyristors commandés en train d’ondes ou en angle de phase.


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5.5 Conduite du four

5.6.2 Équipement de chauffage

Elle consiste à surveiller, en permanence, la température et, éventuellement, les paramètres indicateurs d’ambiance, tels que taux de O 2 , CO, CO2 ou point de rosée, et de consommations d’énergie (puissance électrique ou débit de combustible). Si des anomalies apparaissent, le personnel de conduite peut intervenir pour y remédier, sinon, il relève les anomalies dans un document de suivi de fabrication. Des systèmes informatiques d’aide à la conduite existent sur le marché. Ces superviseurs indiquent clairement les programmes de fabrication, les réglages à faire, enregistrent en continu les paramètres importants et les défauts, gèrent les alarmes. Il permettent une meilleure traçabilité des traitements et une exploitation ultérieure des informations.

S’il s’agit d’un four électrique, il faut déceler la rupture éventuelle d’une résistance par une mesure de la puissance appelée par phase et vérifier le fluage des résistances et y pallier si la conception le permet. Dans le cas d’un four à combustible, il faut vérifier périodiquement le fonctionnement des brûleurs par une analyse des fumées et refaire, si nécessaire, le réglage. Il faut aussi s’assurer de l’étanchéité correcte du circuit de combustible.

5.6.3 Pyrométrie

5.6 Entretien

Il est conseillé de comparer périodiquement les mesures des capteurs de température avec un capteur étalon de façon à remplacer les appareils défectueux.

Les objectifs essentiels de l’entretien sont de conserver les performances maximales du four et éviter les arrêts d’exploitation.

5.6.4 Supports de charge

5.6.1 Enceinte

Les supports, plateaux, grilles, etc., en acier réfractaire peuvent être redressés après traitement thermique approprié.

À ce niveau, il faut vérifier et refaire éventuellement l’étanchéité des fours sous atmosphère et vérifier le bon fonctionnement des parties mobiles : portes, etc. Il est également nécessaire de réparer et de refaire, si besoin, le garnissage réfractaire isolant car son mauvais état se traduit par une augmentation des pertes thermiques et de la température de paroi extérieure (ces défauts sont décelables par thermographie infrarouge). Enfin, il convient de vérifier et de remplacer les supports de charge en réfractaire qui sont très sollicités.

BE 9 510 − 20

5.6.5 Ventilateurs de brassage L’apparition de vibrations signale la nécessité de remplacer un roulement défectueux ou de rééquilibrer la roue du ventilateur pour éviter des dommages plus importants. Les déflecteurs ou volets distributeurs voisins de la roue sont à vérifier et à remettre le cas échéant dans leur position d’origine.


Éléments de thermique des fours

E N

par Gérard PANIEZ Ingénieur des Arts et Métiers Ingénieur à la Société française d’études énergétiques

Références bibliographiques [1]

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S A V O I R P L U S

Constructeurs Association technique de traitement thermique Cedrat MTPS (Syndicat National des Industries d’Équipement) SDRC (Structural Dynamic Research Corporation) Transoft International

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de co pie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

P O U R

Doc. BE 9 510 − 1

Thermique Des Fours

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