Thermique Des Fours

8/20/2019 Thermique Des Fours

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Éléments de thermique des fours

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

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. Le dernier paragraphe précise les modes de conduite de ces outils de production en rapport avec les besoins et les contraintes thermiques.

1. Usages des fours et étuves ................................................................... BE 9 510 - 21.1 Secteurs d’activité concernés et applications par secteur ....................... — 21.2 Besoins de l’utilisateur......................................................... ....................... — 2

2. Classication des fours et des étuves ............................................... — 3

2.1 Classication par fonction ........................... ............................................... — 32.2 Classication par groupe ............................. ............................................... — 32.3 Classication selon le mode de chargement ............................................ — 4

3. Constitution du four ............................................................................... — 43.1 Les différents fours....... ............................................................................... — 43.2 Charge et manutention de la charge .......................................................... — 53.3 Atmosphère........................................ .......................................................... — 53.4 Matériaux composant les parois, la sole et la voûte ................................ — 53.5 Système de chauffage par combustion ..................................................... — 63.6 Résistances électriques ............................................................................... — 83.7 Émetteurs infrarouges. ................................................................................ — 93.8 Chauffage par induction électromagnétique. ............................................ — 103.9 Micro-ondes ..................................................... ............................................ — 10

4. Bilans énergétiques et dimensionnement ......................................... — 10

4.1 Bilan thermique ................................................... ........................................ — 104.2 Pertes par une paroi .................................................................................... — 144.3 Énergie accumulée dans une paroi. ........................................................... — 154.4 Pertes diverses................................. ............................................................ — 154.5 Échanges thermiques avec la charge ........................................................ — 164.6 Dimensionnement .............................. ......................................................... — 164.7 Modélisation ................................................................................................ — 174.8 Cahier des charges ...................................................................................... — 18

5. Exploitation ............................................................................................... — 185.1 Préchauffage. ............................................................................................... — 185.2 Défournement. Enfournement .................................................................... — 185.3 Cycle thermique ........................................................................................... — 195.4 Régulation de température ......................................................................... — 195.5 Conduite du four .......................................................................................... — 205.6 Entretien ............. .......................................................................................... — 20

Pour en savo ir plus ........................................................................................... Doc. BE 9 510


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ÉLEMENTS DE THERMIQUE DES FOURS____________________________________________________________________________________________________

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1. Usages des fours et étuves1.1 Secteurs d’activité concernés

et applications par secteur1.1.1 Industrie des métaux

Pour ce secteur d’activité, les fours et les étuves sont présentsdans :

— la sidérurgie et la première transformation de l’acier ;— la métallurgie et la première transformation des métaux non

ferreux ;— la fonderie et le travail des métaux ;— les constructions mécanique, automobile, navale et aéro-

nautique.Chaque four a un ou plusieurs usages particuliers qui corres-

pondent à un domaine de température (tableau 1). (0)

1.1.2 Agriculture et industries agroalimentaires

Les fours et étuves de ces secteurs industriels ont pour nalité :— le séchage dans un domaine de température d’enceinte de 40

à 180 oC ;— la cuisson (100 à 300 oC) ;— la pasteurisation (70 à 80 oC) ;— la stérilisation (110 à 130 oC) ;— la rétraction des emballages plastiques.

1.1.3 Matériaux et céramique

Pour ce domaine, les fours et les étuves permettent :— le séchage de matériaux broyés : craie, talc, chaux, etc. (50

à 120 oC) ;

— le séchage de matériaux façonnés préparés par voie humide :argile, poteries, etc. ;— la fusion de verre, de vitrocéramique, d’émaux, de réfractaires,

de fibres céramique ;— la cuisson de produits obtenus par moulage ou frittage :

• les produits céramiques techniques (1 000 à 2 600 oC),• les briques, les tuiles en terre (1 000 oC),• les réfractaires de fours (1 200 à 1 700 oC),• les abrasifs de meules (1 200 oC),• les faïences (920 à 1 250 oC), la porcelaine (1 100 à 1 600 oC),• les poteries et les grès (950 à 1 280 oC) ;

— la thermomaturation du béton préfabriqué (50 à 80 oC).

1.1.4 Autres secteurs

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

1.2 Besoins de l’utilisateur1.2.1 Impératifs techniques

Les caractéristiques qui dénissent une charge à traiter sontessentiellement :

— la nature et la présentation de la charge : forme des pièces,densité apparente de chargement, possibilité de diviser la charge,etc. ;

— la nature du matériau : valeurs de l’émissivité, de la capacitéthermique massique, de la masse volumique, etc. ;— la nature du second matériau s’il s’agit d’un revêtement ou d’uncomposite ;

— la température initiale.Le traitement est déterminé par la nécessité de réaliser un cycle

précis de température-temps.Cela est assorti, éventuellement, de données complémentaires :— la précision et l’uniformité de la température à obtenir ;— la 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 typede chauffage à mettre en œuvre.

La production à réaliser est essentiellement caractérisée par :— la production horaire ou la production par cycle ;— la possibilité de diviser cette production ;— l’engagement prévu de l’équipement (nombre d’heuresd’exploitation par jour, par semaine).

1.2.2 Contraintes d’exploitation

L’utilisateur installe le four, en général, au sein d’une usine déjàen exploitation. Aussi, doit-il tenir compte de diverses contraintes :

— l’environnement en général ;— le processus de fabrication dans lequel s’insère le four : les

opérations réalisées en amont et en aval du four, leurs cadencesrespectives peuvent avoir une incidence sur le choix du four, ainsique les conditions possibles de préparation des charges ;

Tableau 1 – Usage du four en fonction du domaine

de températureDomaine

de température Usages

de 50 à 200 oC — séchage de pièces aprèslavage/dégraissage

— désolvatation et cuisson de peinture— fusion de cire (fonderie)

de 150 à 300 oC — stabilisation des aciers— revenu des aciers à haute teneur

en carbone— revenu et vieillissement des alliages légers— bleuissage des aciers

de 500à 700-750 oC

— revenu des aciers ordinaires— recuit des aciers— recuit des soudures

— recuit des métaux cuivreux— stabilisation de la fonte— fusion des alliages légers

de 700à 850-900 oC

— cémentation au carbone, carbonitruration— recuit des aciers— trempe des aciers— recuit des maillechorts et des cupronickels

de 900à 1 000-1 100 oC

— cémentation au carbone— recuit des aciers spéciaux— trempe des aciers spéciaux— traitement des aciers inoxydables

et des aciers réfractaires— traitement des fontes malléables

(à cœur blanc et à cœur noir)de 1 000 à 1 250-

1 300-1 350 oC— traitement des aciers rapides— fusion du cuivre

au-delà de1 350 oC — fusion de la fonte et de l’acier


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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 quali-fication 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’exploi-

tation 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 privilégiéssont :— le gaz naturel, le gaz de pétrole liquifié, le fuel domestique,

l’électricité pour les applications courantes ;— l’électricité pour les applications exigeantes (qualité, atmos-

phère 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. Classication des fourset des étuves

2.1 Classication par fonctionIls peuvent être classés selon leurs fonctions décrites au

paragraphe 1 : la fusion, le traitement thermique, la cuisson, leséchage.

2.2 Classication 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.

2.2.1 Fours intermittents

Dans ce premier groupe, la charge reste xe pendant le traitemententre l’enfournement et le défournement. Un four discontinu estsoumis à un cycle de température variable dans le temps, toutcomme la charge. Il fonctionne en régime thermique variable :l’inertie thermique du four peut alors jouer un rôle important dansson 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.

Terminologie : on parle généralement de fours pour lestraitements de métaux et de matériaux à une températuresupérieure à 300 oC environ ; le terme d’ étuve est réservé auxtraitements des produits organiques et minéraux à une tempé-rature inférieure à 300 oC et, en particulier, aux traitements parla vapeur d’eau. On peut trouver d’autres termes tels que :enceinte, chaîne, cuve, bain, réacteur, etc., mais l’étudethermique de ces équipements est semblable à celle des fours

(terme le plus usité dans cet article).

Figure 1 – Four à sole élévatrice

Figure 2 – Four à cloche cylindrique

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 defaçon continue ou pas à pas depuis l’enfournement jusqu’audéfournement. Un four continu fonctionne en régime thermiqueétabli. La charge traverse le four et le cycle de température est réalisésur 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.

2.3 Classication selon le modede chargement

Les différents modes de chargement ou de manutention sont lessuivants.

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 réfrac-

taire), 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.

3. Constitution du four3.1 Les différents fours3.1.1 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 decombustion, insufé par des tuyères, est parfois préchauffé parprocédés électriques (résistances ou torche à plasma) ou par récupé-ration d’énergie sur les gaz chauds. Le métal liquide coule par unorice situé en partie basse.

Four rotatifIl est composé d’un cylindre isolé, horizontal (ou légèrement

incliné), mobile autour d’un axe de rotation avec des ouvertures ausommet et à la base du cylindre pour le chargement, la coulée etle passage de brûleur (xe).

Four à creusetIl est constitué d’un creuset, en matériau métallique ou céramique

(selon la température), entouré d’un équipement de chauffe quiprovoque la fusion de la charge déversée à l’intérieur. L’ensembledu four contenant le creuset peut être pivotant pour vider le liquideaprès fusion. L’équipement de chauffe peut se composer soit de un

ou plusieurs brûleurs, soit de résistances électriques, soit d’uninducteur.

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) ;

Figure 4 – Four à pousseuse

Figure 5 – Four continu à traction de feuillard


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— d’un système de chauffage (brûleurs ou résistances électriques)généralement accroché aux parois mais aussi dans certains cas, àla 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 posséderplusieurs zones dans le sens de la longueur avec des systèmes dechauffage ou de refroidissement différents.

3.1.3 Étuves et tunnels de cuisson

Leurs constitutions sont semblables aux fours de traitementthermique mais les épaisseurs des parois et de l’isolant sontnettement plus faibles et l’équipement de chauffage peut êtreconstitué d’émetteurs infrarouges (au gaz ou électriques).

3.1.4 Séchoirs

Ils sont de formes diverses mais on trouve fréquemment desséchoirs rotatifs pour les produits en vrac (géométrie semblable aufour 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 produitsen vrac (poudre, ferraille, etc.) pesés et manipulés par des chargeursou des bennes suspendus à un crochet de levage.

Dans le cas du traitement thermique , les pièces en vrac peuventêtre rangées dans des paniers ou posées sur un tapis. Pour les pièceslourdes et les produits continus (tôles, ls), un dispositif particulierde préhension ou d’avance est prévu.

Pour les chaînes continues de cuisson, séchage, etc. , les pièces

sont souvent suspendues à un convoyeur motorisé traversant letunnel.

3.3 Atmosphère

Pour certains traitements thermiques, l’enceinte du four doit êtrevidée de son atmosphère (fours sous vide) ou contenir une atmos-phère particulière pour favoriser ou éviter une réaction chimique.Les exemples ci-après précisent le type d’atmosphère et l’effetsouhaité 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 NH 3 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 convectionet 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 situentau-dessous de 1 000 oC ; celles des réfractaires isolants se situententre 1 000 et 1 650 oC.

La conductibilité thermique d’un isolant est d’autant plus basseque celui-ci est plus léger et sa résistance mécanique augmente avecla masse volumique de 0,1 à 0,8 kg/dm 3 pour les isolants, de 0,3 à1,1 kg/dm3 pour les réfractaires.

Un produit réfractaire est considéré comme un isolant lorsque saporosité totale est au moins égale à 45 %.

Les produits réfractaires ou isolants se présentent sous différentesformes :

— 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 semi-rigides.

Les produits réfractaires courants contiennent de l’alumine et dela silice avec des teneurs variables selon leur classication enproduits à haute teneur en alumine, argileux, silico-argileux, siliceux,de silice. Il existe également des produits basiques de magnésie, dechromite, de dolomie et des produits spéciaux à base de carbone,zircone, etc.

Les matériaux composant les parois, la sole et la voûte sont choisisen fonction de leur faible conductivité thermique, mais égalementen fonction de leur résistance mécanique à la température detraitement de leur capacité à supporter cette dernière. Les matériauxsont également choisis pour leur compatibilité avec l’atmosphère del’enceinte et avec le produit fondu ou traité. Comme il est difcilede trouver des matériaux satisfaisant à toutes ces conditions, onutilise souvent des parois composées de plusieurs couches, assezsouvent trois couches :

— en face chaude, une couche essentiellement réfractaire ;— en face froide, une couche essentiellement isolante ;— une couche intermédiaire éventuelle présentant des caracté-

ristiques moyennes.

En première couche, on a le choix entre les trois catégoriesprincipales de réfractaires généralement silico-aluminieux : lourds,légers, breux. Les isolants utilisés en face froide se présentent géné-ralement sous forme de panneaux, plus ou moins rigides. Quant auxisolants-réfractaires intermédiaires, utilisés sous forme de briquesou de panneaux, leurs caractéristiques sont également très variables(tableau 2). (0)

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

Tableau 2 – Caractéristiques des matériauxcomposant les parois, la sole et la voûte

MatériauxMasse

volumique(kg/m 3)

Conductivité thermiquemoyenne (1)

(W · m –1 · K–1 )

Réfractaires :

lourds .................. 1 800 à 2 200 1,25légers .................. 500 à 1 200 0,2fibreux................. 48 à 160 0,2

Isolants réfractaires 300 à 500 0,1 à 0,15Isolants 35 à 200 0,06(1) Conductivité thermique moyenne à la température d’emploi


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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 chauffagepar combustion

L’énergie utilisée peut être du fuel lourd (FL) ou domestique (FOD),du gaz naturel ou du gaz de pétrole liquéé (GPL) ; les brûleurs sontgénéralement disposés sur les parois latérales pour le traitementthermique est sur la voûte pour la fusion et le maintien à latempérature du métal liquide.

3.5.1 Choix des brûleurs

Une fois dénie la nature de l’opération de chauffage envisagée,le choix de l’équipement de chauffe à employer peut se faire enconsidérant les critères suivants.

La température à obtenir a une grande importance aux extrémitésdes gammes de températures rencontrées ; à basse température, ilsera souvent fait appel à des brûleurs fonctionnant en excès d’air ouavec recyclage des produits de combustion ; à haute température, lepréchauffage et/ou la suroxygénation de l’air de combustion serontutiles ou nécessaires.

La nature des produits de combustion exigée, indépendammentde toute autre considération, peut, à elle seule, xer le choix dubrûleur : combustion en défaut d’air avec utilisation complète del’oxygène, combustion en fort excès d’air sans imbrûlés, absence deNOx .

La souplesse de fonctionnement exigée, qui est le rapport despuissances maximales et minimales du brûleur à son réglagenominal, est un critère de choix conjoint au brûleur, à son systèmed’alimentation et au système de régulation. Elle peut être obtenuepar modulation de puissance sur le ou les brûleurs, par modulationde leur temps de fonctionnement, par effacement successif decertains brûleurs ou par combinaison de ces dispositions.

La souplesse de réglage , qui est le rapport des taux d’aérationextrêmes pour lesquels le fonctionnement normal du brûleur estassuré, est une grandeur importante pour des équipements multi-usages, lorsque l’on souhaite mettre en œuvre des dispositifs derégulation simpliés ou lorsque les perturbations inuant sur leréglage des équipements sont importantes.

Le bruit engendré par le brûleur devient un critère de choix àprendre 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 doitprendre en compte les associations possibles brûleur-four. Il n’y a, eneffet, que peu de corrélation entre le bruit engendré par un brûleuressayé à l’air libre et celui engendré par le même brûleur dans unfour. Les brûleurs les plus bruyants à l’air libre s’avèrent, danscertains cas, plus silencieux que d’autres en fonctionnement dansune enceinte close.

La réceptivité thermique du produit à chauffer correspond à sesaptitudes à absorber la chaleur issue directement ou indirectementde la amme ; elle dépend notamment de :

— sa conductibilité thermique, c’est-à-dire son aptitude à diffuservers l’intérieur la chaleur reçue en surface ;

— son coefficient d’absorption du rayonnement, c’est-à-dire sonaptitude à transformer en chaleur une fraction du rayonnement quifrappe la surface ;

— sa surface massique, c’est-à-dire la surface disponible pourrecevoir la chaleur par convection ou rayonnement rapportée àl’unité de masse à chauffer ;

— son oxydabilité, c’est-à-dire son aptitude à développer ensurface des pellicules ou des crasses faisant obstacle au transfertde chaleur.

La réceptivité thermique du four correspond à son aptitude àservir de relais efcace au transfert de chaleur entre la amme et leproduit à chauffer ; elle dépend notamment de :

— son isolation thermique, c’est-à-dire son aptitude à éviter lesdéperditions par les parois ;

— son inertie thermique, c’est-à-dire son aptitude à emmagasinerla chaleur ; cette aptitude s’oppose à l’obtention de bons rendementsen période de mise en température, mais contribue à la stabilité dufonctionnement ;

— la présence de parois (creusets, moufles, semi-moufles, tubesradiants) faisant obstacle au transfert de chaleur entre la flamme etle produit à chauffer ;

— la conception du départ des produits de combustion, assurantou non, ou mal, un préchauffage de la charge ;

— la présence de récupérateurs de chaleur pour préchauffer l’airde combustion.

3.5.2 Brûleurs à gaz

Il existe une grande variété de types de brûleurs à gaz que l’onpeut classer par mode d’alimentation en uides :

— les brûleurs à induction d’air atmosphérique, à gaz seul souspression ;

— 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 leréglage d’aération. Sa puissance est généralement limitée à 200 kWet il ne permet pas la récupération de chaleur sur les fumées (dangerdu prémélange chaud). Par contre, il a une température de ammeélevée.

3.5.2.2 Brûleur à induction d’air atmosphériqueet gaz sous pression

Il utilise l’énergie cinétique d’un jet de gaz issu d’un injecteur pouraspirer l’air ambiant. Ses caractéristiques de fonctionnement sontsemblables au précédent (§ 3.5.2.1). Il est simple et peu coûteuxmais il est très difcile de maîtriser le réglage des fours équipés dece type de brûleur du fait de l’inuence de la pression du four surl’admission d’air.

3.5.2.3 Brûleur oxy-gaz

Ce brûleur, qui utilise l’oxygène comme comburant, est nécessairedans les applications où une température élevée et un ux de chaleurdense sont recherchés ; sa souplesse d’utilisation et de réglagle esttrès 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 H 2O soit 9,8 Pa)

Il est adapté aux récupérateurs d’énergie en céramique, il peut êtreà amme de diffusion axiale, à écoulement divergent ou giratoiredu gaz. Il requiert une pression élevée de gaz pour assurer unmélange air/gaz convenable et des artices particuliers pour stabi-liser la amme.


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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 fonction-nement et de réglage et une facilité de changement de combustible.

Dans le cas de la grande vitesse d’air, l’échange thermique estfavorisé.

3.5.2.6 Brûleurs à fonctions particulièresBrûleur autorécupérateurPour une installation de puissance inférieure à 500 kW, on peut

utiliser des brûleurs dits autorécupérateurs (gure 6) à compacitémaximale ; le récupérateur intégré au brûleur engendre des écono-mies d’énergie substantielles. C’est une alternative à l’installation

d’un récupérateur sur la cheminée du four.Brûleur radiantUne partie importante du transfert de chaleur vers le produit à

chauffer s’effectue par rayonnement d’un matériau réfractairechauffé par la combustion.

Les principaux types de matériels sont :— le panneau radiant lumineux pour applications à basse tempé-

rature (séchage par exemple) dont le rendement de rayonnement(quotient de l’énergie rayonnée sur l’énergie totale consommée) estde 45 % environ (figure 7) ;

— le brûleur radiant multiouvreaux haute température dont lerendement de rayonnement est proche de 20 % (figure 8) ;

— le brûleur radiant à coupelle dont la puissance nominale varieà 1 à 1 800 kW et le re ndement de rayonnement est de l’ordre de15 % à 1 000 oC (figure 9).

Brûleur jetCe brûleur délivre à une vitesse supérieure à 100 m/s les produits

de combustion pour chauffer par impact direct ou brasser l’atmos-phère d’enceinte an d’accélérer les échanges de chaleur avec leproduit à chauffer ou d’homogénéiser la température d’enceinte(gure 10 ).

Brûleur de veine d’airIl s’agit d’un équipement modulaire (gure 11 ) placé dans une

gaine de ventilation d’étuve de séchage (ou autre fonction à tempé-rature inférieure à 400 oC) pour diluer les produits de combustion.La puissance linéaire installée est inférieure à 1 000 kW.

Figure 6 – Brûleur autorécupérateur

Figure 7 – Panneau radiant lumineux type multicanaux

Figure 8 – Brûleur radiant multiouvreaux haute température

Figure 9 – Brûleur radiant à coupelle

Figure 10 – Brûleur jet


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Dans certains cas, il peut assurer l’incinération d’efuents gazeuxcombustibles (à 850 oC).

Tube radiantLes produits de combustion circulent dans un conduit rayonnant

sur la charge, sans contact avec l’atmosphère de l’enceinte.

Brûleur radiant catalytique ou thermoréacteurà destruction catalytique de solvant

Ce brûleur peut fonctionner dans une atmosphère solvantée(séchage et cuisson de peinture).

Brûleur régénératifUne unité est composée de deux générateurs et de deux brûleurs

revêtus de matériau réfractaire. L’unité fonctionne alternativementselon les deux modes de la gure 12 .

Ce système permet une économie de 42 % de combustible pourune enceinte à 1 000 oC par rapport à un brûleur à air froid.

ÉlectrobrûleurLes brûleurs air/gaz sont limités en température et en rendement

dans les applications de fusion et de traitement thermique à1 200-1 400 oC.

Au-delà, il faut utiliser de l’oxygène à la place de l’air de combus-tion ou un électrobrûleur qui a une amme dopée par un arc élec-trique permettant d’atteindre des températures de 2 000 oC et plus.

3.6 Résistances électriques

Il existe plusieurs familles de résistances correspondant chacuneà un niveau de température ou un usage spécique.

3.6.1 Résistances métalliques nues

Elles sont composées d’alliages en nickel-chrome (1 150 oC maxi-mum) ou en fer-chrome-aluminium (1 300 oC maximum) ou en acierréfractaire ou en Inconel (1 150 oC maximum) et fabriquées avec desls de section circulaire ou carrée, avec des rubans ou des tubes.La puissance surfacique est de 20 à 30 kW/m 2 pour les ls et lesrubans et de 50 à 60 kW/m 2 pour les tubes.

Le l peut être soit boudiné et posé sur un support tubulaire ousur une rigole isolante, soit formé en épingle accrochée à une paroi.

Le ruban , toujours ondulé, est soit placé sur champ sur la soleou un support continu solidaire de la paroi, soit disposé en bouclesverticales sur des supports céramiques solidaires des parois.

Les résistances en tubes de faible diamètre peuvent être forméesen épingles accrochées aux parois. Les tubes moyens (diamètre 20à 35 mm ; épaisseur 2 à 4 mm) sont constitués en grille composéede longueurs droites sur lesquelles sont soudés des barrettes deliaison, des supports et des connexions, l’ensemble étant suspenduà la voûte (gure 13 ). Les tubes de grand diamètre (diamètre 50 à100 mm ; épaisseur 5 mm au maximum), appelés tubes à passagedirect de courant, sont de conception similaire aux résistancesprécitées mais peuvent être disposés horizontalement et supportéspar les parois.

Figure 11 – Brûleur de veine d’air Figure 12 – Brûleur céramique régénératif


9/21



3.6.2 Tubes radiants électriques

La résistance nue au contact avec une atmosphère active peut êtrealtérée et avoir une durée de vie réduite. Pour pallier cetinconvénient, on peut la disposer dans un tube pour constituer unebougie chauffante.

3.6.3 Résistances blindées

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

3.6.4 Résistances non métalliques

3.6.4.1 Le graphiteSon emploi est interdit au contact de l’air et de l’oxygène mais

la plupart des fours sous vide ou sous gaz inerte utilisent desrésistances en graphite couramment sous forme de barreaux de 15à 25 mm de diamètre pour constituer une sorte de cage (appeléerésistor) entourant la charge. La résistivité du graphite varie peu avecla température ; sa température limite d’utilisation est de 2 300 oCenviron sous vide.

3.6.4.2 Le carbure de siliciumLes résistances en carbure de silicium sont livrées dans leur forme

dénitive qu’il est impossible de reformer ou d’usiner qu’elles soientpleines ( a ,b ,c ) ou creuses ( d ,e ,f ) en U ou en W ( g ). (gure 14 ). Leurrésistivité varie beaucoup avec la température ; les sorties froides(B,C) sont métallisées (A,D) pour réduire leur résistance. Leurtempérature limite d’utilisation est de 1 500 oC dans l’air, de 1 300 oCsous hydrogène et de 1 425 oC sous azote.

Les baguettes de carbure de silicum sont caractérisées par troisdimensions :

— le diamètre de 12,7 à 38,1 mm ;— la longueur de chauffe ;— la longueur des traversées de parois (plusieurs dimensions

standards).

3.6.4.3 Le bisiliciure de molybdène (MoSi 2)Les résistances en bisiliciure de molybdène (gure 15 ) sont livrées

sous leur forme dénitive qu’il est impossible de modier. Lestraversées de paroi font partie de la résistance qui a la forme d’un U.Le matériau est très fragile ; sa résistivité est variable avec latempérature.

La température limite d’utilisation est de 1 650 oC dans l’air, de1 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 réductriceet sous vide.

Sa température limite d’emploi est de 1 500 oC dans l’air, 1 400 oCsous atmosphère endothermique, 1 350 oC sous hydrogène,1 200 oC sous vide de 10 –3 Torr (0,133 Pa).

3.7 Émetteurs infrarouges

Un corps recevant une radiation calorique peut :— en réfléchir une partie ;— en transmettre une partie (par transparence) ;— absorber le reste à sa surface si elle n’est pas du tout trans-

parente 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’énergieincidente), inférieur à 1, ne dépend ni de la longueur d’onde ni del’incidence. La plupart des solides considérés en thermique sontpratiquement des corps gris ; les ammes lumineuses peuvent êtreassimilées à des corps gris. Les gaz sont transparents mais absorbentune partie des radiations comprises dans certaines bandes delongueurs d’onde (partie appréciable pour la vapeur d’eau et ledioxyde de carbone).

Figure 13 – Grille de résistances mécanosoudées :schéma de principe

Figure 14 – Résistances en carbure de silicium


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Il existe plusieurs familles d’émetteurs infrarouges corres-pondant chacune à un niveau de température ou à un usagespécique.

3.7.1 Émetteurs électriques

Ils utilisent tous l’effet Joule mais le transfert de chaleur se faitpar rayonnement dans un domaine de longueur d’onde différentselon la technologie et la température de l’émetteur. À hautetempérature, les résistances électriques (décrites au § 3.6) trans-fèrent leur énergie à la charge, principalement sous forme de rayon-nement infrarouge.

On utilise le terme d’émetteur infrarouge pour des traitements à

basse température où le rayonnement infrarouge est spécialementrecherché, 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 neutrecontenant un lament de tungstène porté à très haute température(2 000 à 2 500 oC). La partie arrière des lampes forme un réecteurgrâce à un dépôt d’argent ou d’aluminium. Les tubes peuvent êtrelivrés avec réecteur extérieur.

La puissance unitaire des lampes est faible : 150 à 375 W ; celledes tubes va de 500 à 3 000 W selon la longueur chauffante (140 à700 mm).

Les émetteurs d’infrarouge moyen sont composés de résistancesen nickel-chrome ou en fer-chrome-aluminium entre 700 et 1 300 oCplacées dans des tubes ou des panneaux de silice ou des tubesradiants métalliques.

Les émetteurs d’infrarouge long se composent essentiellementd’éléments modulaires :

— soit en céramique vitrifiée, chauffée par une résistance denickel-chrome noyée dans la masse à la température de 300 à 600 oC ;

— soit en verre électroconducteur à la température de 300 à400 oC avec un réflecteur et un isolant en face arrière ;

— soit constitués d’un assemblage de tubes de quartz ou depanneaux de résistances situés derrière une plaque de quartz.

Ces éléments ne rayonnent pratiquement pas dans le domainevisible ; leur inertie thermique est importante ; la puissance unitairedes émetteurs va de 150 à 3 200 W selon le type.

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 àproximité d’une surface métallique ou céramique qui, portée àtempérature, rayonne sur la charge. La amme est inapparente oupeu apparente et dans certains cas les produits de combustion sontrejetés à l’extérieur de l’enceinte sans contact avec la charge.

Quelques exemples de brûleurs radiants (§ 3.5.2.6) sont donnésci-après :

— le brûleur obscur (une surface métallique est chauffée par unerampe 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).

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.

3.8 Chauffage par inductionélectromagnétique

La charge située dans un champ magnétique variable est le siègede courants induits qui se transforment en chaleur par effet Joule.Le champ magnétique est créé par un inducteur qui est généralementun solénoïde alimenté en courant électrique à 50 Hz ou à unefréquence supérieure par l’intermédiaire d’un onduleur. L’inducteurest façonné à partir de tubes de cuivre à l’intérieur desquels circulede l’eau de refroidissement. Les puissances de chauffe vont dequelques kilowatts à plus de 10 MW.

3.9 Micro-ondesCe sont des rayonnements hertziens, dont les longueurs d’onde

vont du mètre au centimètre, qui sont absorbés par tous les corpsliquides et solides dont les molécules sont sensibles à un champélectrique alternatif. L’eau liquide absorbe les micro-ondes de façonprivilégiée.

Pour des raisons de sécurité des personnes, il faut enfermer cesrayonnements dans une enceinte métallique étanche. Pour ne pastroubler les télécommunications, certaines bandes de fréquence sontaffectées aux usages industriels qui sont soumis à déclaration. Lechoix de la fréquence est important pour la taille des charges àchauffer car les 2/3 de l’énergie sont absorbés sur une profondeurvoisine 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 wattsà quelques dizaines de kilowatts avec un rendement de 50 à 75 % ;

— un dispositif de transport d’ondes qui peut être un câble coaxialpour les petites puissances ou un tuyau métallique rectangulaire ;

— un applicateur qui correspond au four ou à l’enceinte detraitement 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 desbrasseurs d’onde. Lorsque le traitement doit être réalisé en continu(sur un tapis roulant par exemple), l’applicateur est à guides rayon-nants ou guides fendus complété par des ltres et des pièges àondes.

4. Bilans énergétiqueset dimensionnement

4.1 Bilan thermiqueL’établissement du bilan thermique d’un four a pour but de

déterminer son rendement et sa consommation spécique,c’est-à-dire la consommation rapportée à l’unité utile produite :tonne ou kilogramme de pièces, pièce unitaire type, etc. Celasuppose la connaissance la plus précise possible de tous les uxentrant et sortant du four (matières et produits divers, énergiesdiverses, etc.) et une bonne interprétation des phénomènesthermiques dont le four est le siège.

Figure 15 – Résistance en bisiliciure de molybdène


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L’établissement du bilan doit se faire en deux temps : d’abordl’élaboration du bilan prévisionnel, c’est-à-dire le calcul de laconsommation probable du four dans des conditions théoriques biendéterminées d’exploitation. Ce calcul peut et doit se faire avant laconstruction du four. Son résultat peut même être un élémentimportant du choix du four. Lorsque ce dernier est en exploitation,le deuxième temps est abordé : vérication du bilan prévisionnel parmesure directe de la consommation.

Le schéma simplié (gure 16 ) permet de faire le bilan desénergies Q i (en kWh) pour un chauffage à combustible ou un chauf-fage électrique pendant la durée d’un traitement s’il s’agit d’un fourà charge. Dans le cas du four continu, le bilan sera fait sur un tempsunitaire déni (1 h par exemple) et les masses seront remplacéespar 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 ;Q3 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 fourcontinu en régime permanent ; dans le cas d’un four à charge, cettechaleur est perdue totalement ou en partie selon la fréquence descycles).

On peut établir les relations suivantes :Q 1 = m PCS

avec m (en kg) masse de combustible,PCS (en kWh/kg) pouvoir calorique supérieur du combus-

tible.Q 2 = m c g T g

avec c g (en kWh · kg–1 · K–1) capacité thermique massique ducombustible,

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) etdu gaz entrant ; l’air aspiré peut êtrel’excès d’air des brûleurs ou l’air

entrant par les ouvertures,c a (en kWh · kg–1 · K–1) c a pa c i té t h e r mi q u e m as s i qu emoyenne de l’air et du gaz entrant,

T a (en oC) température moyenne de l’air et dugaz entrant.

Q 4 = M c c T 1avec M (en kg) masse de la charge,

c c (en kWh · kg–1 · K–1) capacité thermique massique de lacharge,

T 1 (en oC) température d’entrée de la charge etdes accessoires.

Q 5 = M d c d T 1avec c d (en kWh · kg–1 · K–1) capacité thermique massique des

accessoires,M d (en kg) 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 sen-sible 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,

c f (en kWh · kg–1 · K–1) capacité thermique massique desfumées,

T f (en oC) température des fumées.Q 8 = M f C 8

avec C 8 (en kWh/kg) chaleur latente des fumées augmentée dupouvoir combustible de certains consti-tuants rejetés le cas échéant.

Q 9 = M c c T 2avec T 2 (en oC) température de la charge sortante et des acces-

soires.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 combus-

tible et au fumées disparaissent.

4.1.1 Exemple de bilan thermique d’un fourde fusion de fonte à arc électrique

La gure 17 précise l’installation, ses auxiliaires et les points demesure.

Un bilan thermique est réalisé par mesures et calculs sur lesystème constitué par le four existant avec ses électrodes et sesauxiliaires (transformateur électrique, circuits d’huile et d’eau)dans lequel on enfourne des matières solides et on récupère, ensortie, de la fonte liquide (24 t à 1 400 oC), du laitier, des pous-sières, des gaz.

Les capacités thermiques massiques sont, en général, varia-bles avec la température ; il faut donc prendre une valeur

moyenne dans l’intervalle de température ou intégrer .Généralement, le traitement et les réactions chimiques

éventuelles se font à pression constante (atmosphérique) et il n’ya pas de travail mécanique. Les énergies précitées sont des varia-tions d’enthalpie, le bilan précédent est un bilan enthalpique . Ilest facile de trouver dans les tables les enthalpies des fumées etde l’air, les enthalpies de formation, de réaction chimique ou dechangement de phase des produits.

c dT


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L’huile hydraulique sert à la manutention des électrodes ; l’eauest utilisée pour refroidir la partie supérieure du four, les câblesélectriques et le transformateur.

Un bilan matières est réalisé par pesage. Une mesure des débitset des températures d’air et d’eau permet d’évaluer les pertes ther-miques.

Dans le cas présent , les formules du § 4.1 sont à adapter commesuit. Les termes Q 1, Q 2 ainsi que l’air comburant n’existent quependant la phase de préchauffage gaz du premier cycle hebdoma-daire (non étudié). Q 3, Q 4 et Q 5 sont négligeables car la températurede 25 oC est prise comme référence. Q 5 , Q 10 concernent les matièresintroduites avec la charge et retrouvées à la sortie hors du métalliquide (laitier, poussières, gaz). Q 6 est égale à Q 9 qui est l’enthalpiedu métal liquide sortant dont le détail de calcul est préciséci-après (§ 4.1.2). Q 11 passe dans sa quasi-totalité dans l’eau et l’airaspiré dont les débits et la température ont été mesurés à l’exceptiond’un peu de rayonnement, estimé à 5 % de Q 11 , car l’environnementdu four reste à la température ambiante. Q 12 est apportée par lesarcs électriques et les auxiliaires électriques (moteurs de pompeset 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 defonte à partir des enthalpies précisées dans les tables pour latempérature de 1 400 oC, à l’état liquide pour chacun des élémentsconstituant la fonte corrigée par l’enthalpie de dissolution.

Les mesures de consommations électriques des auxiliaires(ventilateur, pompes, etc.) permettent de faire un bilan global (voirgure 18 ).

Deux ratios de consommations d’énergie par tonne de fonteliquide sont déterminés :

— 474 kWh/t pour le four seul ;— 495 kWh/t pour le four avec auxiliaires.

4.1.2 Exemple de bilan thermique d’un fourde traitement thermique

La gure 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 cycleséquentiel d’enfournement de plateaux (supports de pièces) variablede 50 à 60 min (entrée et sortie rapides d’un plateau toutes les 55 minen moyenne).

Le four comporte un sas d’entrée contenant un plateau, une zonede traitement contenant 9 plateaux avec atmosphère contrôlée, unezone de diffusion chauffée à 840 oC contenant un plateau, un sasde défournement contenant un plateau.

Le temps de séjour des pièces dans la partie chauffée du four variede 500 à 600 min. Le chauffage au gaz naturel par 36 tubes radiantsest régulé en 4 zones comprenant chacune un ventilateur debrassage. L’atmosphère de la zone de traitement est créée parinjection d’azote, de méthanol et de gaz naturel. Une mesure desconsommations de gaz et des températures des 4 zones est faite encontinu pendant 1 mois.

Dans le cas présent (§ 4.1), pour la production normale moyenneen régime établi :

Q 2, Q 3, Q 4, Q 5 sont nuls car la température ambiante est prisecomme 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 ;

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 simplié d’un four pour bilan thermique

Figure 17 – Principe du four à arc et instrumentation

Figure 18 – Bilan énergétique


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Quelques jours sans production de pièces révèlent la puissancede maintien du four qui est de 136 kW. Les jours de productionnormale (2 500 à 3 400 kg) indiquent une puissance appelée variablede 182 à 273 kW. Les consommations pour brûlage des suies sontrelevées. La consommation spécique calculée varie de 2 à2,4 kWh/kg quand la production varie de 2 500 à 2 700 kg/j. Lerendement varie de 2,6 à 13,2 % (hors auxiliaires) avec une moyennede 8 %.

4.1.3 Exemple de bilan thermique d’un séchoirde calcaire

L’installation existante (gure 20 ) comprend un broyeur équipé de2 moteurs d’une puissance unitaire de 160 kW, un brûleur propaneà veine d’air qui sèche le matériau, un cyclone séparant l’air duproduit, 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 humiditéinitiale de 3 % en masse et une humidité nale de 0,3 %.

Le produit ni a une granulométrie de 160 µm ; les particules supé-rieures sont recyclées par le cyclone dans le broyeur ; les poussièressont rejetées en partie dans l’atmosphère (50 mg/Nm 3) avec les gazbrûlés, l’air en excès et la vapeur d’eau.

Le brûleur est modulé par un régulateur de température qui main-tient les gaz à 120 oC en sortie de broyeur.

Dans la solution existante, le débit d’air est de 10 200 Nm 3 /h, latempérature 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 lesrejets atmosphériques permet d’insufer de l’air sec à 100 oCenviron, ce qui réduit de 23 % la consommation de propane.

Figure 19 – Four de cémentation à passage trempe directe

1 normomètre cube (Nm 3) = 1 m3 de gaz mesuré dans lesconditions normales de pression (1,013 bar) et de température(0 oC).

Figure 20 – Installation existante d’un séchoirde calcaire à améliorer


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Le bilan enthalpique présenté sur la gure 21 précise la répartitiondes matières, des gaz et des puissances pour la solution existante.La gure 22 donne le bilan avec les modications induites parl’économie d’énergie.

4.1.4 Exemple de bilan thermique d’étuvede séchage de produits pulvérulents

Une étuve existante de 6 m de long doit sécher 322 kg de produitpharmaceutique disposé dans des plateaux reposant sur 4 chariotsen le (45 plateaux par chariot). Une porte permet l’entrée deschariots en début de cycle et la sortie en n de séchage. L’humiditéinitiale du produit est de 2,5 % et l’humidité nale est de 0,4 % aubout de 22 h 30 min.

Principe de séchage : un ventilateur de 4 200 m 3 /h assure lacirculation de l’air à l’intérieur de l’étuve après chauffage par desbatteries de résistances électriques. Le séchage s’effectue à unetempérature moyenne de 45 à 50 oC. 90 % de l’air repris de l’étuveest 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 sontmesurées ; la différence permet de calculer le débit d’eau prélevéau produit qui est de 0,59 kg/h en début de cycle et de 0,25 kg/h enn de cycle. Au total, 6,7 kg d’eau et autres composants volatils sontévacués. Les compteurs d’énergie électrique indiquent 47 kWh pourles résistances et 34 kWh pour le ventilateur. L’énergie utile pourévaporer l’eau est inférieure à 10 % de l’énergie totale consommée ;la gure 23 représente le bilan énergétique de cette étuve.

4.2 Pertes par une paroi4.2.1 Calcul du ux 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 gure 24 .On appelle :Q en (Wh) l’énergie traversant la paroi qui est une partie de Q 11

du § 4.1. Le ux traversant le mur à l’équilibre (en W/m2) est :P = Q / S t

avec S (en m 2) la surface du mur,t (en h) le temps.

Par application des lois de transfert de chaleur à ce mur de grandesdimensions, le ux 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)/ e i = … = α (T p – T A)

avec h et α (en W · m–2 · K–1) coefcients d’échange entre ambiancede four et paroi, et entre paroi et ambiance externe.

Cette relation peut s’écrire :

avec T A (en K) la température ambiante externe,T F (en K) la température interne du four,T i (en K) la température après la couche n o i d’épais-

seur e i (en m) et de conductivité thermiqueλ i (en W · m–1 · K–1),

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

T 0 (en K) la température de paroi chaude.Le terme 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 1,5à 2 m 2 · K/W. Le coefcient h d’échange, entre ambiance de four etparoi chaude, est de l’ordre de 200 à 400 W/(m 2 · K). Le coefcientα d’échange, entre paroi froide et ambiance extérieure, est de l’ordrede 10 W/(m2 · K) ; un détail du calcul de ce coefcient est donné plusloin (§ 4.2.2).

P T F T 0 –

1 h------------------

T 1 T 0 –

e 1 λ 1------------------ …

T i T i 1––

e i λ i -----------------------= = = =

…T F T A–

1 h e i λ i ∑+ 1 α +---------------------------------------------------------==

Figure 21 – Bilan enthalpique du séchoir de calcaire

Figure 22 – Bilan enthalpique du séchoir de calcairetenant compte des modications induites par l’économie d’énergie

1 h e i λ i ∑+ 1 α +( )


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Pour la quasi-totalité des matériaux dans le domaine normal destempératures 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.

4.2.2 Échange paroi-ambiance extérieure

L’échange entre la paroi externe et l’ambiance se fait simulta-nément par rayonnement et par convection naturelle. Ainsi, la valeurdu coefcient d’échange α dépend de la température de la paroi etde son émissivité. Nous pouvons admettre, pour le ux sortant, (enW/m2), la formule suivante :

P = 4,65 [(T p /100)4 – (T A /100)4] + h c (T p – TA )1,25

Le premier terme correspond au rayonnement (pour une paroiayant une émissivité de 0,82). Le second terme correspond à laconvection ; pour un four courant et dans un calcul global, on peutprendre la valeur moyenne, toutes parois confondues :h c = 2 W/(m2 · K).

4.3 Énergie accumulée dans une paroi

L’estimation de la valeur de cette énergie ne pose pas de problèmelorsque l’équilibre thermique est atteint (problème statique). Enrevanche, le calcul de l’évolution de l’énergie qui s’accumule dansla paroi avant la mise en équilibre (problème dynamique) estbeaucoup plus délicat.

Le calcul des pertes ayant permis d’obtenir les températuresd’interfaces T 1, T 2, ..., T i , nous évaluons sans difculté l’énergie accu-mulée Q (en Wh) à l’équilibre, en partant d’une paroi préalablementà la température ambiante :

avec c i (en Wh · kg–1 · K–1) capacité thermique massique dumatériau de la couche i ,

e i (en m) épaisseur de ce matériau,S (en m 2) surface de paroi,ρ

i (en kg/m3) masse volumique de ce matériau.

Contrairement à la conductivité thermique, la capacité thermiquemassique des différents matériaux ne varie pratiquement pas avecla température et varie assez peu d’un matériau à l’autre. Pour lesmatériaux silico-alumineux (briques lourdes ou légères, breux etlaine de roche), la valeur la plus courante est de 0,28 Wh/kg · K) avecles valeurs extrêmes de 0,26 et 0,31. Les panneaux de silicate decalcium présentent des valeurs plus faibles : de 0,2 à 0,23 Wh/(kg · K).

4.4 Pertes diverses4.4.1 Ponts thermiques

Une paroi de four comporte un certain nombre de singularités :arbres de ventilateurs, embouts de rouleaux, gaines de thermo-

couples, tiges de xation des bres, etc., qui entraînent des pertesd’énergie.Le tableau 3 donne deux exemples de ponts thermiques occa-

sionnant :— 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)

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

Figure 24 – Schéma de la paroi d’un four

Exemple de conductivité thermique :Réfractaire léger (ρ = 1 100 kg/m 3) :λ 0 = 0,304 W/(m · K) ; k = 371 × 10

–6

Fibre céramique (42 % Al 2O 3 ; ρ = 128 kg/m 3)λ 0 = 0,031 W/(m · K) ; k = 2 177 × 10

–6

Q S ρ i c i e i ∑ = T i T i 1 – + 2 ----------------------- T A –


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4.4.2 Rayonnement à travers un orice

Ces pertes dépendent de la température, de la section de l’oriceet de l’épaisseur de la paroi. Par exemple, le tableau 4

donne la perte

provoquée par un orice cylindrique dans une paroi de 250 mm d’unfour à différentes températures. (0)

4.4.3 Joint d’étanchéité

Lorsque l’étanchéité du four est assurée par un joint de sable, lespertes engendrées dépendent des longueur et largeur de joint. Parexemple, un joint de 50 mm induit une perte dans un four à 1 000 o

Cde 1,8 kW/m de joint.

4.4.4 Ouvertures de porte

Ces pertes de même nature que celles du paragraphe 4.4.2 dépen-dent du temps d’ouverture et de la surface de la porte. Par exemple,un four à 900 o

C 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’énergienécessaire pour chauffer le gaz d’atmosphère introduit n’est pasnégligeable. Par exemple, il faut 0,35 kWh pour chauffer 1 m 3 d’azoteà 900 oC.

4.4.6 Entrées et sorties d’air

La pression à l’intérieur du laboratoire (ou enceinte) peut être dif-férente de la pression atmosphérique ce qu peut entraîner desentrées d’air froid ou des sorties de gaz chauds, ou les deux à lafois, si la pression intérieure n’est pas uniforme.

Par exemple, une dépression de 1 mm H 2O (9,8 Pa) au droit d’unorice de 1 dm 2 engendre une perte P de 11 kW environ dans unfour 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 :

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

4.5 Échanges thermiques avec la charge4.5.1 Rayonnement

La puissance reçue P r (en W) par la charge de surface S c (en m 2)et d’émissivité εc entourée par les parois du four de surface S F etd’émissivité εF :

avec T F (en K) température moyenne des surfaces émettrices(parois, résistances ou ammes...),

T c (en K) température moyenne de la charge,εr l’émissivité résultante :

(en prenantεr = εc , l’erreur commise est faible. Les valeursapproximatives d’émissivité sont 0,8 pour l’acier,0,4 pour le laiton et 0,15 pour l’aluminium moulé),

σ = 5,67 × 10– 8

W · m– 2

· K– 4

constante de Stefan-Boltzmann.

4.5.2 Convection

L’échange par convection entre la charge et l’atmosphère du fourde 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 chargeet de la température des gaz T A .

L’expression simpliée de α pour de l’air est :

α = 2,3 + 195 (v / T A )1/2

4.6 Dimensionnement

Dans le cadre d’un investissement pour installer un nouveau fourou pour modier un four existant, il est nécessaire de calculer leséchanges thermiques et de dénir 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 sufsantes pour un prédimension-nement ou pour établir un coût d’exploitation énergétique ; pour unemeilleure précision de calcul, il peut être utile de faire une modé-lisation avec un logiciel approprié (§ 4.7). Si le problème posé estdifcile (nouvelle conception de four, produit à traiter délicat,exigence de température précise, etc.), cette modélisation est néces-saire pour démontrer la faisabilité d’un projet et pour optimiser lesparamètres de fonctionnement au démarrage de l’installation.

Tableau 3 – Ponts thermiques occasionnantune surchauffe localisée de la carcasse du four

d’épaisseur 4 mm et une perte d’énergie du fourpour une paroi de 250 mm

Pontthermique Températuredu four ......................... (en oC) 300 500 700 900

Tige (1) Surchauffede la carcasse..............(en oC) 2 4 7 9Perte.............................(en W) 1 2 3 4

Tube (2) Surchauffede la carcasse..............(en oC) 14 26 39 55Perte............................. (en W) 7 13 20 27

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

Tableau 4 – Perte (en KW/m 2) provoquée par un oricedans une paroi de 250 mm, à différentes températures

Diamètrede l’orice

(mm)

Température (oC)

500 700 900 1 100

50 3 7 18 38100 4 14 28 55200 7 21 43 82

400 10 29 50 110

P r σ ε r S c T F 4 T c

4 –( )=

1 ε r 1 ε c + 1 ε F ( ) 1– S c S F )=


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4.7 Modélisation

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

4.7.1 TMG diffusé par SDRC

Ce code de calcul (TMG : thermal model generator

) modélise, engéométrie tridimensionnelle, les transferts thermiques parconduction, convection et rayonnement sur station de travail (typeHP 9000). Les propriétés physiques des matériaux peuvent dépendrede la température. L’utilisateur décrit la géométrie du four et lescaractéristiques des matériaux (qui peuvent dépendre de la tempé-rature). Il indique les conditions initiales de température et de chauf-fage pendant le traitement.

Le logiciel peut fournir la cartographie des températures en toutpoint 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, lestransferts thermiques par conduction, convection et rayonnement(simplié) sur micro-ordinateur PC (processeur 486 ; 16 Mo de RAM ;disque dur 500 Mo).

Il est couplé avec un calcul de contraintes mécaniques et dedéformations 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 dereprésenter des géométries complexes en 3 dimensions. Il permet

de simuler le fonctionnement d’un four à combustible à l’intérieurduquel les champs de pression, de vitesse, de turbulence et detempérature sont déterminés.

4.7.4 FLUX 2D diffusé par Cedrat

C’est un logiciel de CAO destiné principalement à l’électro-technique mais aussi au chauffage par induction, passe de courantélectrique et transferts thermiques, construit autour d’un processeurbidimensionnel de calcul des champs magnétique, électrique etthermique. Il est de conception modulaire et chaque module permetde traiter un type de problèmes :

— le module magnétodynamique

traite les problèmes d’électro-magnétisme en régime permanent, avec courant alternatif normalau plan de la figure et des matériaux conducteurs magnétiques ounon ;

— les modules thermiques permanent et évolutif

étudient lesphénomènes thermiques avec les matériaux à capacité thermiquemassique, à conductivité thermique isotrope ou anisotrope avecsurfaces 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 ; ilpermet de visualiser les grandeurs sous forme de cartes de couleur,de courbes d’évolutions spatiale et temporelle et de calculer lesgrandeurs locales et globales ; les entrées peuvent être person-nalisées avec des sous-programmes extérieurs en fortran.

Le logiciel est implantable sur station de travail (type HP 9000) etmicro-ordinateur PC (Pentium 100 MHz ; 16 Mo RAM ; 1 Go disquedur).

4.7.5 Déroulement d’une étude avec modélisation

La géométrie du système thermique est décrite en 2 ou 3 dimen-sions dans un mailleur ou préprocesseur

; les propriétés desmatériaux ainsi que les conditions aux limites (températures ou uxthermiques, etc.) sont ensuite saisies. La résolution mathématiquedure de quelques minutes à quelques jours selon le code, lacomplexité du maillage et le matériel informatique utilisé ; lesrésultats sont exploités graphiquement dans un postprocesseur

.

4.7.6 Exemple de modélisation simple

Une pièce en forme de couronne de 8 860 mm de diamètreextérieur et 650 mm de hauteur, en acier 28NCD6 ou 42NCD6 (voirgéométrie gure 25

), requiert une dureté précise : 495 HB en peauet 420 HB à 50 mm de sa périphérie cylindrique réduite à 300 HBaprès revenu à 600 o

C ; l’intérieur et les autres surfaces ne doiventpas être durcies.

La pièce est chauffée dans un four cloche circulaire ayant 6brûleurs jet

au gaz naturel sur sa paroi verticale soufant un jettangentiel à la surface à durcir. La vitesse très élevée des gaz brûlés

(100 m/s) crée une circulation rapide des gaz chauds autour de lapièce induisant un bon coefcient d’échange thermique parconvection. La pièce de 37,5 t est portée à la température de surfacede 920 o

C en 15 h 30 min ; le four est ensuite maintenu 14 h à cettetempérature pour homogénéiser la température de la pièce. Latrempe est réalisée en soufant de l’air frais, dès que l’épaisseur dematière à durcir a atteint sa température d’austénitisation, par deslances de soufage tangentiel situées entre les brûleurs etalimentées en air frais par un gros ventilateur placé sur la voûte dufour. La durée de trempe est de 1 h, la température de n de trempeest de 250 o

C.Le coefcient d’échange thermique par convection est calculé et

introduit dans le programme de calcul de l’évolution de températurede la pièce en fonction du temps. Connaissant la vitesse de refroidis-sement en tout point de la pièce, on peut prédire avec les courbesTRC (diagramme de transformation en refroidissement continu) [13]de la nuance d’acier traité, les duretés en tout point et donc vérierla faisabilité du problème posé.

Si le résultat de la modélisation ne correspond pas au problèmeposé, il faut recommencer la simulation en modiant un paramètre,soit la température de n de chauffage, soit la vitesse des jets d’air,soit la nuance d’acier, etc.

Dans le cas présent, après plusieurs itérations, une solutionacceptable a été trouvée : la gure 26

représente les tracés des iso-thermes dans la pièce après 1 000 et 3 600 s de trempe. Les courbesd’évolution de la température au cours du temps en un point placéà mi-hauteur en peau (gure 27

a

) et à 50 mm de la surface(gure 27

b

) comparées aux courbes TRC des aciers concernéspermettent d’afrmer que les duretés requises sont obtenues.

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


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4.8 Cahier des chargesAprès avoir déni ses besoins justiant un investissement :

augmentation de capacité, amélioration de qualité ou de producti-vité, etc., l’utilisateur doit faire une étude technico-économique per-mettant à la fois de juger de la faisabilité technique de son projetet de la rentabilité de son investissement. Cette étude peut être faiteen interne ou avec l’aide de consultants extérieurs.

Dès que l’utilisateur a décidé d’investir, il va consulter lesconstructeurs pour avoir des offres de fourniture du matérielsouhaité, comparer les offres reçues, choisir un constructeur et luipasser commande. Pour faciliter les relations avec les constructeursde fours et autres fournisseurs et éviter les difcultés résultant delimites de fournitures mal dénies ou une insatisfaction de l’utili-sateur après démarrage de l’équipement, l’utilisateur a intérêt à biendénir ses besoins et les formuler dans un cahier des charges quisera joint à l’appel d’offre et à la commande.

Le cahier des charges doit être aussi complet que possible etpréciser :

— 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 foursà résistances).

5. ExploitationIndépendamment de la qualité du matériel, les conditions

d’exploitation du four ou de l ’étuve vont inuencer ses perfor-mances.

5.1 Préchauffage

Les fours continus doivent être mis en température avant intro-duction des premières charges. La durée de préchauffagedépendant de l’inertie thermique du four doit être connue pour bienplanier la production et la présence du personnel de conduite.

Si les arrêts de production sont de courte durée, il peut être inté-ressant de maintenir le four en température. Les fours discontinuspeuvent aussi, dans certaines circonstances (cadence de productionproche de la capacité du four ou délai de fabrication court), êtrepréchauffés ou maintenus à une température inférieure ou égaleà celle du traitement.

Si le système de contrôle-commande du four le permet, le pré-chauffage et le maintien peuvent se faire en l’absence du personnelde conduite.

5.2 Défournement. Enfournement

Pour les fours discontinus, la charge à traiter est préparée le plussouvent pendant l’exécution du traitement de la charge précédente.La préparation peut être un conditionnement, un contrôle, unpesage, un traitement de surface, etc. La durée de défournementet d’enfournement est à prendre en compte dans la production dufour.

Figure 26 – Tracés des isothermes dans la pièce après trempe

Figure 27 – Évolution de la température dans la pièce après trempe


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5.3 Cycle thermique

Le cycle thermique représenté par une courbe de températureen fonction du temps est dans les cas simples composé d’unemontée en température, d’un maintien en température et d’unrefroidissement.

La gure 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 certainehomogénéité de température à l’intérieur du four et de la charge.Pour des traitements à cœur de charges massives, le cycle doit êtreallongé par adjonction de paliers pendant la montée pour tenircompte du temps de diffusion de la chaleur au cœur de la charge.

5.4 Régulation de température

Un four ou une étuve comporte une ou plusieurs zones derégulation pour assurer le cycle avec homogénéité. Chaque zonecomporte une boucle de régulation pilotant un équipement dechauffage affecté à cette zone. Chaque boucle de régulation estcomposée d’un (ou plusieurs) capteurs de température (thermo-couple ou lunette infrarouge), d’un régulateur plus ou moins sophis-tiqué 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 simplethermostat muni d’un organe de commande du type relais oucontacteur qui allume ou éteint toute la puissance de chauffagelorsque la température ambiante du four atteint la consigne basseou la consigne haute réglées préalablement.

Le régulateur tout-ou-rien, outil simple et bon marché, peutdonner satisfaction si on n’exige pas une trop grande précision de

température, si l’inertie de la mesure ne pose pas de problèmeet 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 moduléepar trois actions.

L’action proportionnelle : la diminution de puissance a lieu dèsque la température entre dans la bande proportionnelle BP(exprimée en pourcentage de la valeur de pleine échelle de latempérature du régulateur en oC), ce qui a pour effet de lisser lacourbe de température et d’éviter les dépassements (voir exemplesur la gure 29 ).

L’action intégrale a pour effet d’annuler l’erreur statique intro-duite par l’action proportionnelle (qui coupe le chauffage quand laconsigne est atteinte alors que le four a toujours besoin de puissancepour se maintenir à température). Le principe de cette action estd’ajouter à la première un terme résultant de l’int

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