Les Fours industriels

La conception d'un four

La conception d'un four électrique doit tenir compte, pour être correcte, de nombreux facteurs qui peuvent être rassemblés suivant trois critères principaux: - besoins et données de l'utilisateur; - possibilités technologiques du constructeur; - impératifs et choix économiques. L'utilisateur doit résoudre un problème concret de fabrication, soumis à des impératifs techniques. Il doit, d'autre part, insérer cette fabrication dans un contexte industriel particulier. CHARGE À TRAITER : Les caractéristiques qui définissent une charge sont essentiellement - nature et présentation de la charge: forme des pièces, densité apparente de chargement, possibilité de diviser la charge... - nature du matériau: valeurs de l'émissivité, de la capacité thermique massique, de la masse volumique... - température initiale. LE TRAITEMENT : Le traitement est déterminé par les principales données suivantes: - nécessité de réaliser un cycle précis de température-temps, - ou mise en température de la charge dans un temps souhaité avec un temps de maintien à température, un refroidissement éventuel dans le four ou hors du four Ceci est assorti de données complémentaires: - température normale d'utilisation du four; - températures minimale et maximale exceptionnelles; - précision et uniformité de température à obtenir; - 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 résistances à mettre en œuvre. Aussi, est-il nécessaire de bien définir la température réelle d'emploi, en évitant d'accumuler les marges de sécurité. LA PRODUCTION : 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'heures d'exploitation par jour, par semaine). Le premier travail du constructeur, après avoir pris connaissance des besoins de l'utilisateur, consiste à vérifier que le cycle température-temps souhaité est réalisable, du moins dans des conditions industrielles raisonnables. Ensuite, le constructeur doit construire le four "autour" de la production. Dans le cas le plus fréquent, où la charge est constituée de pièces multiples, elle est donc divisible, le constructeur va déterminer la capacité de l'équipement suivant une loi très élémentaire: cette capacité est égale au produit de la production horaire par le temps total du cycle dans le four. Ainsi, lorsque la production horaire est de 1 500 kg/h, avec un temps de cycle de 2,5 heures, le four devra contenir 3 750 kg. Cette capacité peut alors être jugée trop importante pour être celle d'un seul four: la production doit alors être assurée par plusieurs unités. Il est à noter que très souvent, ce sont les conditions de refroidissement qui conduisent à limiter la charge. Si la charge à refroidir est notablement inférieure à la capacité du four, ce dernier doit contenir plusieurs charges: nous arrivons à l'une des définitions du four continu.

Four continu ou four à charge

Les fours peuvent être classés, d'une façon simple, en fours continus et fours discontinus. 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. Un four discontinu ou four à charge 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. Si, dans certains cas le choix s'impose (four discontinu de détensionnement de soudure de grosse chaudronnerie par exemple), pour certaines opérations, il faut peser les avantages et les inconvénients de chaque type de four. Les critères principaux peuvent se diviser en quatre catégories: critères de production, de fiabilité, énergétiques et technologiques. Avant d'examiner rapidement ces critères, il est utile de formuler quelques remarques simples: - La quantité de chaleur accumulée dans les parois d'un four discontinu au cours d'un traitement intervient de façon notable sur la consommation. - A capacité égale, les pertes d'un four continu sont souvent légèrement plus importantes que celles d'un four discontinu, car sa surface extérieure est plus grande. - Le four continu nécessite une puissance installée plus faible que le four discontinu qui assure la même production. Dans les deux cas, les consommations sont sensiblement les mêmes, mais le four continu appelle une puissance constante dans le temps alors que la puissance appelée par le four discontinu varie énormément entre le début de montée en température de la charge, la fin de montée et lors du maintien à température. - Le mode de fonctionnement du four discontinu permet de moduler la demande d'énergie pour tenir compte de certaines nécessités: écrêtement de pointes de puissance, tarification de l'énergie, etc. - Le four continu se prête mal aux changements de cadence et aux arrêts de production. Une consommation supplémentaire peut être due au passage de plateaux ou montages vides ou de charges fictives. - Les dispositifs de manutention des charges complétant un four continu sont souvent plus complexes que ceux d'un four discontinu. CRITÈRES DE PRODUCTION o Importance de la production. o Insertion du four dans un procédé continu. o Importance du temps de cycle par rapport à la période d'exploitation: si cette dernière est de 16 heures (travail à deux postes par jour) et le temps de cycle de 5 heures, un four continu ne sera en fait chargé que pendant 11 heures par jour. o Grand nombre de charges identiques et petit nombre de cycles différents et de types de charge: c'est l'application type du four continu. o Production variable dans le temps: c'est l'application type d'un ensemble de fours discontinus de capacité moyenne. La règle des "trois unités" est souvent retenue: la production maximale est assurée par 3 fours; en période creuse, 2 fours sont en exploitation et le troisième éventuellement en entretien. Un certain nombre d'équipements annexes sont communs aux 3 fours, ce qui les rentabilise (bac de trempe, aires d'attente, chargeuse, etc.). En cas d'augmentation ultérieure de la production, il suffit d'ajouter un four sans toucher aux équipements annexes: c'est le principe de l'installation évolutive avec investissement différé dans le temps. CRITÈRES DE FIABILITÉ Nécessité d'une fiabilité extrême si le four est le point de passage obligatoire, unique, dans un procédé. Recherche d'un équilibre entre un automatisme poussé mais complexe, exigeant un personnel de contrôle très qualifié et un équipement relativement simple et fiable, mais demandant la présence constante de main-d'œuvre. CRITÈRES ÉNERGÉTIQUES o Puissance disponible limitée. o Nécessité d'appeler une puissance sensiblement constante dans le temps. o Nécessité de moduler la demande d'énergie et de réduire fortement cette dernière pendant certaines périodes. CRITÈRES TECHNOLOGIQUES o Nécessité de travailler sur des charges divisées, voire sur des pièces à l'unité pour des raisons technologiques: qualité de trempe, manipulation en aval du four, etc. o Précision et reproductibilité de température/temps du cycle IMPÉRATIFS ET CHOIX ÉCONOMIQUES Le coût total d'exploitation d'un four, rapporté à l'unité produite est la somme des principaux facteurs suivants: o Coût de l'énergie; o Coût de la main-d'œuvre de conduite et de préparation des charges; o Coût de la main-d'œuvre de contrôle et de surveillance; o Coût des matières consommables et fluides divers (autres que l'énergie) ; o Amortissement de "installation; o Coût de l'entretien Pour effectuer le choix final d'un four, il importe donc d'établir son coût prévisionnel d'exploitation. Cette opération dépasse le simple établissement du bilan thermique du four. En particulier le facteur entretien peut jouer un très grand rôle, non de par son importance éventuelle, mais surtout en raison des temps d'immobilisation du four. Durant ces périodes, en effet, l'exploitant doit supporter la plupart des frais, et il n'y a, en contrepartie, aucune production. L'incidence des périodes de non production est beaucoup plus importante que le coût direct de l'entretien. Ceci est d'ailleurs valable pour toutes les périodes d'arrêt ou de ralentissement de production, qui diminuent le taux d'engagement du four.

Types de fours et leurs applications

De nombreuses industries utilisent des fours électriques, dans des applications très diverses, même pour une industrie donnée, et surtout dans des gammes de température très variées. Sans prétendre être exhaustifs, citons les principaux domaines "consommateurs" de fours: Chauffage des métaux: - fusion et maintien à l'état liquide, - frittage, - chauffage avant formage, - traitements thermiques, - brasage, Traitements de surface: émaillage, galvanisation, Cuisson et émaillage de produits céramiques. Les fours ne sont pas fondamentalement différents d'un domaine à un autre. Ce qui les caractérise, ce n'est pas leur application mais essentiellement leur température d'emploi et la disposition de la charge ou le mode de manutention de cette dernière à travers le laboratoire. Le domaine du chauffage des métaux offrent le champ d'applications les plus variées (température, production, mode de manutention, etc.). Mais, répétons-le, le type de produit n'est pas primordial: ce qui importe, c'est la température et les conditions dans lesquelles l'exploitant souhaite obtenir cette dernière. DIFFERENTS TYPES DE FOURS - Four à sole fixe - Four puit - four à vide - Fours batch - fours à chambre - Four à pot - Four à sole mobile - Fours à cloche - Four à élévateur - Four à bac de trempe incorporé - Four à sole tournante - Four à secousses - Four à sole vibrante - Four poussant - Four à tapis - Four à tablier - Four à chaines - Four tirant - Four à longerons - Four à rouleaux commandés - Four à cornue rotative - Four à balancelles - Four à lit fluidisé - Fours basculants - Fours de fusion - Fours de laboratoire

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