BE8845

Fours de cimenterie
Fours rotatifs
par
Robert BASTIER
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur Central Technologie Adjoint
Alexandre BOCAN
Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest
Bernard GILBERT
Ingénieur des Arts et Métiers
et
Alain REGNAULT
Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers
Centre Technique Groupe Italcementi
1.
Conception.................................................................................................
2.
2.1
2.2
Technologie ...............................................................................................
Stations de roulement. Galets ....................................................................
Stations de roulement. Bandages ..............................................................
2.2.1 Généralités ..........................................................................................
2.2.2 Dimensionnement des bandages......................................................
2.2.3 Contraintes maximales de flexion dans la section du bandage .....
2.2.4 Pression de Hertz ................................................................................
2.2.5 Ovalisation du bandage .....................................................................
Réglage des axes des galets par rapport à celui du bandage .................
Viroles...........................................................................................................
2.4.1 Généralités ..........................................................................................
2.4.2 Calcul des viroles................................................................................
2.4.3 Ovalisation des viroles .......................................................................
2.4.4 Déplacement relatif virole-bandage..................................................
2.4.5 Maîtrise de l’ovalisation de la virole .................................................
2.4.6 Surveillance du jeu pendant l’allumage ...........................................
Entraînement................................................................................................
2.5.1 Généralités ..........................................................................................
2.5.2 Entraînement direct ............................................................................
2.5.3 Calcul de la puissance ........................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
3
3
4
4
4
4
5
5
6
7
7
7
8
8
8
9
10
10
10
11
3.
Maintenance ..............................................................................................
—
12
4.
Four à deux appuis ..................................................................................
—
12
2.3
2.4
2.5
Pour en savoir plus...........................................................................................
BE 8 845 - 2
Doc. BE 8 847
A
l’exception des fours droits verticaux, désormais obsolètes, mais encore
en service en Extrême-Orient (la Chine, premier producteur mondial,
assure les 2/3 de sa production avec des fours droits) et de fours expérimentaux en cours de développement (lit fluidisé au Japon), tous les fours sont
désormais du type « four rotatif ».
Au fil des années, les progrès réalisés dans le domaine des procédés ont
conduit à une diminution progressive des dimensions des fours alors que les
capacités de production étaient en augmentation.
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BE 8 845 − 1
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
D’un point de vue conception, il existe toutefois des invariants quelle que soit
la dimension du four.
L’article « Fours de cimenterie » fait l’objet de plusieurs fascicules :
— BE 8 844 Ateliers de cuisson du clinker ;
— BE 8 845 Fours rotatifs ;
— BE 8 846 Refroidisseurs à clinker.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.
Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.
1. Conception
■ Les grands fours à voie humide (par exemple, capacité : 3 000 t/j ;
diamètre D : 6,3 m, longueur L : 227 m, reposant sur huit appuis) ont
fait place, dans les années 1980, aux fours à voie sèche reposant sur
trois appuis, équipés d’un précalcinateur qui, pour une même production, ont les dimensions suivantes (figure 1a ) : D : 4,20 m ;
L : 60,00 m.
Introduction
de matière
Bandage
d'appui
Plus récemment, une étape supplémentaire a été accomplie en
proposant une réduction de la longueur du four de manière à la
faire reposer sur deux appuis au lieu de trois ; le rapport L/D passe
alors de valeurs comprises entre 14 et 18 à des valeurs comprises
entre 10 et 13, à capacité de production égale (figure 1b ) :
D : 4,40 m ; L : 48,00 m.
Introduction
de matière
Si l’offre actuelle est limitée aux fours à voie sèche à deux ou à
trois appuis, il n’en reste pas moins vrai que des fours anciens de
dimensions très importantes tel que le four à voie humide
([BE 8 844] § 2.2) sont toujours en service et mobilisent l’attention
des services chargés de leur maintenance et de leur exploitation.
Un revêtement réfractaire, principalement du type briquetage,
protège la virole et réduit les pertes de chaleur.
■ Le four à clinker est soumis à des sollicitations ayant pour origine les charges mécaniques mises en œuvre ou appliquées, la
charge thermique, des défauts de géométrie.
BE 8 845 − 2
Capot de
chauffe
a trois appuis
Simultanément, une augmentation de la capacité de production
est proposée ; par exemple, un four de 7 500 t/j peut avoir les
dimensions suivantes : D : 5,60 m ; L : 82 m.
■ Comme dit dans l’introduction, d’un point de vue conception, il
existe des invariants quelle que soit la dimension du four.
● Le four est un tube en appui sur des stations de roulement
(deux, trois, ... huit) ayant une inclinaison de l’ordre de 3,5 % par
rapport à l’horizontale et tournant à des vitesses de rotation comprises entre 1,8 et 3,5 tr/min.
● La mise en rotation du four peut être assurée de deux façons :
— sur le four à trois appuis et plus, elle est effectuée par un ou
deux groupes de commande ; 1 ou 2 pignons attaquent une couronne dentée fixée sur la virole ;
— avec la nouvelle technologie du four sur deux appuis, la rotation du four peut être obtenue directement par un ou deux galets
d’une station de roulement eux-mêmes entraînés par deux ou quatre moteurs électrohydrauliques ou électromécaniques.
● Le guidage axial du four est assuré par une ou deux butées
hydrauliques. Elles impriment au four un mouvement axial limité,
afin de répartir, de façon uniforme, l’usure des surfaces de contact
entre bandages et galets.
● À l’intérieur du four à clinker, la température des fumées évolue
de 2 000 - 2 350 oC (flamme) à 1050 oC, tandis que la matière passe
de 850 - 900 oC à 1420 oC - 1450 oC.
L/D = 14
Couronne
d'entraînement
Bandage
d'appui
L/D = 11
Couronne
d'entraînement
Capot de
chauffe
b deux appuis
Figure 1 – Fours à voie sèche (KHD Humboldt Wedag)
● Les charges mécaniques, mises en œuvre ou appliquées, peuvent être :
— uniformément réparties : poids propre de la virole, poids du
réfractaire, poids de la matière ;
— concentrées : poids de la couronne, poids sur les extrémités
du four (joints, satellites), force et couple d’entraînement ;
— évolutives : croûtage, anneaux.
Les sollicitations dues à la charge thermique sont :
— la variation de température sur la longueur du four ;
— une distribution de température non homogène dans une section transversale.
●
Ces sollicitations engendrent des contraintes et des déformations qui sont évaluées par le calcul lors de la conception, de
manière à rester dans des limites acceptables (§ 2.4).
On peut citer comme défauts de géométrie :
— les alignements imparfaits des supports (horizontal et
vertical) ;
— la construction défectueuse au montage (axe de virole non
rectiligne) ;
— les déformations permanentes créées par des surchauffes.
●
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2. Technologie
Bandage
Les charges radiales de la virole sont transmises aux fondations
par l’intermédiaire des bandages, galets et paliers (figure 2).
α
Virole
Briquetage
interne
2.1 Stations de roulement. Galets
La charge radiale du four, Q , se répartit, par hypothèse, uniformément sur les deux galets, soit une charge par galet de :
Q
Q g = -----------------2 cos α
soit :
Qg = 0,577 Q
Q
Lit de matière
Galet
Qg
Qg
pour α = 30o
La valeur de 30o est communément admise comme le compromis entre une charge acceptable sur les galets et la stabilité du four
sur ses appuis.
■ On distingue quatre catégories de stations de roulement
(figure 3) : rigide, rigide rotulée, autoalignante, autoalignante rotulée.
Station de
roulement
Figure 2 – Station de roulement : schéma
Les stations de roulement autoalignantes rotulées (figure 3d )
sont recommandées pour les fours à deux appuis. En cas de déformation accidentelle du four (mise en vilebrequin), il n’y aura pas de
perte de surface de contact entre bandage et galets évitant ainsi les
contraintes excessives qui auraient causé des fissures et la formation de petites cavités (pitting ). Ces stations sont calculées pour
une pression de Hertz (§ 2.2.4) supérieure de 25 % à celle qui est
prise en compte pour les stations de roulement traditionnelles.
■ Les galets de roulement (figure 4a ) sont du type « plein », la
tendance étant d’abandonner les galets type « creux » (figure 4b )
pour des raisons de fragilité.
● Les galets ont, en général, un diamètre extérieur compris entre
1 et 2 m.
Système de réglage
de station de roulement
Plots en
élastomère
,
,
,
,
c station autoalignante
a station rigide
Exemple : pour un four de 1500 t/j, on observe les dimensions suivantes de galets :
— diamètre extérieur Dg : .................................... 1,500 à 1,750 m ;
— largeur , g :...................................................... 0,950 à 1,100 m.
Un cas particulier peut se présenter lorsque le système de refroidissement du clinker [BE 8 846] est monté en porte-à-faux à l’extrémité aval du four (refroidisseurs à ballonnets ou satellites). Les
dimensions des galets de la station porteuse aval sont alors beaucoup plus importantes.
b station rigide rotulée
d station autoalignante rotulée
Figure 3 – Station de roulement : différentes catégories
Exemples : on a les dimensions suivantes :
— pour un four de 1500 t/j avec D = 4,55 m :
D g = 2,50 m ; , g = 1,20 m
— pour un four de 4 200 t/j avec D = 5,60 m :
D g = 3,60 m ; , g = 1,40 m.
Le matériau employé pour la réalisation des galets est un acier
moulé ayant subi un traitement thermique de normalisation, puis un
revenu. Les caractéristiques mécaniques ainsi obtenues sont :
— résistance maximale à la rupture :........ R m > 650 MPa ;
— résistance élastique :............................... R e > 380 MPa ;
— allongement : ........................................... A > 14 % ;
2
— résilience : ................................................ KCU > 3,5 daJ ⁄ cm .
● Du fait de la dilatation du four, il est nécessaire de prévoir une
largeur des galets supérieure à celle des bandages de 40 à 80 mm.
●
a deux types de galet plein
b
l t
Figure 4 – Galets de roulement : différents types
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BE 8 845 − 3
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2.2 Stations de roulement. Bandages
2.2.1 Généralités
Les bandages (figure 5), comme les galets (§ 2.1) sont actuellement de section rectangulaire « pleine », les bandages « creux en
oméga » (figure 5e ) disparaissant progressivement.
La qualité du matériau employé est généralement identique à
celle des galets.
Les contrôles qualitatifs sont effectués à chaque étape de la
fabrication des bandages selon des normes internes à chaque
constructeur. Celles-ci sont éventuellement aménagées en fonction
du cahier des charges défini par la société d’ingénierie.
Forces d'appui
(platines de
calage)
Forces d'appui
Virole
Virole
Galet
Galet
a bandage flottant
b bandage cranté
c bandage cranté (Polysius)
d fixation latérale (KHD)
Les dimensions des bandages (largeur et épaisseur) sont proportionnelles à la masse à supporter.
Exemple : pour un four de 1500 t/j avec D = 4,4 m, on observe les
dimensions suivantes pour le bandage intermédiaire (le plus sollicité) :
— D b ext = 5,32 m ;
— D b int = 4,62 m ;
— , b = 940mm.
Le diamètre intérieur des bandages est légèrement supérieur au
diamètre extérieur de la virole avec ses platines pour permettre
une dilatation différente, car la température de la virole est toujours plus élevée que celle du bandage (§ 2.2.5 et 2.4.5).
■ Deux techniques différentes sont utilisées pour le positionnement radial du bandage, selon qu’il est du type « flottant » ou
« cranté ».
● Bandage flottant : la virole du four repose sur le diamètre intérieur du bandage par l’intermédiaire de platines de calage. Ainsi, les
forces d’appui lui sont appliquées dans une direction radiale par
l’intermédiaire des platines de calage (figure 5a ).
Les bandages flottants doivent être suffisamment rigides et avoir
un mouvement relatif très faible pour que l’ovalisation de la virole
soit maintenue à des valeurs acceptables. Cela nécessite une
attention particulière du personnel d’exploitation.
● Bandage cranté : la virole du four est positionnée de manière
quasi concentrique par rapport au diamètre intérieur du bandage.
Les forces d’appui sont appliquées tangentiellement par l’intermédiaire des crans ou dents répartis sur le diamètre intérieur du bandage (figures 5b et 5c ).
Les dents peuvent faire partie du corps du bandage à l’intérieur
de celui-ci (système Polysius) ou bien être rapportées et fixées latéralement au bandage par boulons (système FLS : « suspension
tangentielle »).
Les bandages crantés sont apparus au début des années 1950.
Ils permettent de limiter l’ovalisation à une valeur légèrement plus
élevée que celle du bandage. Un soin particulier doit être apporté
à l’entretien des clavettes de fixation de l’installation.
Une nouvelle fixation souple a été développée pour ce type de
bandage à la fin des années 1980 (système Polysius, figure 5c ). La
généralisation de ce type de bandage est handicapée par le coût
plus élevé que celui du bandage flottant (environ 40 %).
Néanmoins, il est imposé dès lors que l’on choisit un four sur
deux appuis (§ 4) et un mode d’entraînement direct du four par les
galets (Polysius, FLS).
● Le choix entre bandage flottant et bandage cranté résulte d’un
compromis entre :
— le risque de frettage ;
— la réduction de l’ovalisation.
Le positionnement axial du bandage est assuré soit par deux
cerces continues de part et d’autre du bandage s’appuyant sur des
taquets d’arrêt soudés sur la virole, soit par des blocs guides laté-
BE 8 845 − 4
e bandage creux en oméga
Figure 5 – Bandages : différents types
raux positionnés alternativement de part et d’autre du bandage et
soudés sur la virole (figure 5d ).
2.2.2 Dimensionnement des bandages
Les trois éléments suivants sont pris en considération dans
les calculs de dimensionnement des bandages, avec pour valeurs
limites communément admises :
— contrainte de flexion :
σ f max < 5,5 daN ⁄ mm
2
— pression de Hertz :
σ H max < 42 daN ⁄ mm
2
— ovalité :
ω B < 0,18 %
2.2.3 Contraintes maximales de flexion
dans la section du bandage
Le principe du calcul consiste à considérer un bandage comme
une poutre circulaire fermée sur deux appuis en tenant compte de
la symétrie verticale et à analyser cette structure par la méthode
des déplacements. Cette analyse est traditionnellement basée sur
l’application de formules développées par Nies [4] d’après les théorèmes de Fränkel et Castigliano.
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On détermine, en chaque point de la structure, les valeurs de
l’effort tranchant, du moment fléchissant et de la contrainte de
flexion.
I
Ia
■ Les différents moments fléchissants, avec une valeur α de 30o,
prennent les valeurs suivantes :
M I = – 0,056 QR b
M Ia = – 0,031 QR b
M Ib = + 0,024 QR b
M II = + 0,066 QR b
M IIa = + 0,041 QR b
M III = M max = – 0,086 QR b
M IV = – 0,024 QR b
Ib
II
II
O
α
avec Q (daN) effort à l’appui,
R b (mm) rayon moyen du bandage.
IIa
α
30°
30°
On en déduit la courbe représentée sur la figure 6.
■ La contrainte de flexion maximale (en daN/mm2) a pour valeur :
QR b
M III
σ f max = ---------- = 0,086 -----------w
w
Le module de flexion w (mm3) d’un bandage à section rectangulaire, de largeur b (mm) et épaisseur h (mm), est donné par :
III
III
IV
Figure 6 – Courbe des moments fléchissants
2
bh
w = ---------6
Exemple : avec les éléments suivants :
Q = 313 000 daN
b = 970 mm
R b = 2 182 mm
h = 335 mm,
l’application des formules précédentes conduit à la contrainte de
flexion maximale :
σf max = 3,24 daN/mm2
b
Rb
Q
2.2.4 Pression de Hertz
La pression de Hertz σ H (en daN/mm2) est le rapport de la charge
appliquée Q (daN) à la surface de contact entre les deux cylindres
que sont le bandage et le galet (figure 7) :
σH
2Q
= ----------π ab
a
Q
Rg
avec a demi-largeur du contact linéaire.
La valeur de la demi-largeur du contact linéaire est donnée par
la formule :
QR
a = 1,52 ---------Eb
Figure 7 – Pression de Hertz
où R est tel que :
1
1
1
---- = ------ + -----R
Rb Rg
Dans le cas général, appui de deux cylindres (figure 7), on
obtient :
QE
σ H = 0,42 ---------Rb
Dans le cas particulier d’une station porteuse (ou de roulement),
où le bandage est en appui sur les deux galets (figure 2), la pression de Hertz s’écrit :
Q
E ( Rb + Rg )
σ H = 0,42 ------------------- --- ------------------------2 cos α b R b R g
avec
Rb
Rg
E
(mm) rayon du bandage,
(mm) rayon du galet,
(daN/mm2) module de Young.
Exemple : avec les valeurs suivantes :
Rb = 2 350 mm
b = 970 mm
Rg = 750 mm
E = 21 000 daN/mm2
Q = 313 000 daN
α = 30o
la formule donne pour la pression de Hertz :
σH = 33,2 daN/mm2
2.2.5 Ovalisation du bandage
■ L’espace entre virole et bandage peut être apprécié :
— soit en considérant que les deux cylindres restent parfaits
(figure 8a ), C étant la distance théorique entre deux cylindres parfaits de diamètres différents reposant sur une génératrice
commune ou jeu théorique ;
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et l’ovalité du bandage :
δb
ω b ( % ) = ------- 100
DL
C
Ds
DL
■ L’ovalisation du bandage peut être approchée par le calcul en utilisant la formule de Nies [4] qui donne une estimation de la déformation maximale du bandage :
3
QR b
∆ b max (mm) = 0,0208 -----------EJ
J (mm4) étant le moment d’inertie.
Dans le cas d’un bandage à section rectangulaire, de largeur b et
d’épaisseur h, on a :
a cylindres parfaits
3
bh
J = ---------12
S
3
X
ϕ
ϕ
Y
d’où :
Dv – S
Dv
Q
QR b
∆ b max = 0,25 -------------3Ebh
L’ovalisation et la déformation maximale du bandage sont
reliées, selon Nies, par la formule suivante :
∆ b max
ω b (%) = 4 ---------------- 100
DL
Dh
b cylindres déformés
Ds
DL
Dv
Dv – S
Dh
diamètre de la virole non déformée
diamètre interne du bandage non déformé
diamètre vertical interne du bandage déformé :
Dv < DL
diamètre vertical de la virole déformée :
Dv – S < Ds
diamètre horizontal interne du bandage déformé :
Dh > DL > Dv
Figure 8 – Ovalisation du bandage ou de la virole
— soit en considérant que les deux cylindres sont déformés
(figure 8b ), S étant le jeu réel entre deux corps déformés de
manière plus ou moins elliptique.
■ La valeur du jeu réel S et de l’angle ϕ entre la verticale et les
points de contact X et Y des platines sous bandage et de la surface
interne du bandage dépendent de :
— la distance théorique C ;
— la température ;
— la rigidité de la virole proprement dite ;
— l’effet de raidissement de la virole dû au réfractaire et au
croûtage ;
— la déformation du bandage.
Des mesures ont montré que :
70o < ϕ < 90o
S = 1,5 C à 2 C
Le bandage se déforme sous l’action de son propre poids, de
sorte que le diamètre horizontal D h est plus grand que le diamètre
vertical D v . La déformation du bandage est :
δb = D h – D v
BE 8 845 − 6
Exemple : avec les valeurs suivantes :
Q = 313 000 daN
R b = 2 182 mm
E = 21 000 daN/mm2
b = 970 mm
h = 335 mm
la formule donne une ovalité du bandage :
ω b = 0,10 %
2.3 Réglage des axes des galets
par rapport à celui du bandage
Si le four était en position rigoureusement horizontale, les axes
des galets, du bandage et du four pourraient être parallèles ; le
four resterait en position. Pour que la matière à cuire avance dans
le four, une inclinaison de quelques degrés a été donnée au four,
de sorte qu’il est nécessaire de compenser la composante qui a
tendance à faire descendre le four par un effort de sens opposé
apporté sur les bandages. Cet effort est fourni :
— soit par le braquage des galets ;
— soit par un galet pousseur.
Le réglage entre bandage et galets doit permettre le déplacement du four de 40 à 60 mm dans les deux sens ; la durée de montée du four sera de l’ordre de 8 à 24 heures et la durée de la
descente sera de 4 à 8 heures. Ainsi l’usure sera uniformément
répartie sur toute la surface des galets d’appui.
Selon que le four est équipé ou non de galets pousseurs
(figure 9a ), le principe du réglage sera différent.
■ Sans galets pousseurs, les axes des galets sont orientés
(« braqués ») par rapport à l’axe du four de manière à faire monter
le four ; arrivé en position haute, le déclenchement d’un graisseur
suffit à faire descendre le four.
La figure 9b schématise, pour un four tournant à droite (vu de la
sortie), la direction du « braquage » des galets permettant la
« montée » du four.
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Vp
Vj1
Vj2
Vc
Figure 10 – Épaisseurs de viroles
à moins de 1,2 Ds du bandage où se combinent contraintes axiales
et contraintes tangentielles, donc on porte un soin particulier aux
contrôles des soudures dans cette zone.
a galet pousseur (KHD)
Poussée
b braquage des galets
Figure 9 – Réglage entre bandage et galets
■ Les risques de dommages liés à une maîtrise insuffisante de la
descente, ainsi que les usures en forme de diabolo des galets et en
forme de tonnelet des bandages, ont conduit à la mise en place de
galets pousseurs, ils permettent de contrôler l’amplitude des déplacements.
Dans ce cas, les axes des galets d’appui sont réglés parallèlement à l’axe du four, la descente du four est provoquée par son
inclinaison sur l’horizontale. La montée du four est provoquée par
les galets pousseurs actionnés par vérins hydrauliques selon un
programme bien défini et maîtrisé ; la descente sera contrôlée par
la décharge programmée du système hydraulique.
Les valeurs limites admissibles communément admises sur les
viroles sont :
— contrainte pour une virole courante : < 2 daN/mm2 ;
— contrainte pour une virole intermédiaire
ou porteuse :....................................... < 1,5 daN/mm2 ;
— variation de contrainte au changement d’épaisseur des
viroles :................................................ < 0,8 daN ⁄ mm2 ;
— flèche ................................................... < 1/10 000 de la portée.
Le choix des différentes épaisseurs de viroles (forcément discontinues) doit être tel qu’il permette une variation des contraintes
avec une minimum de discontinuité : la règle pratique suivante est
couramment adoptée.
● On détermine tout d’abord, par un calcul de résistance des
matériaux classique, les épaisseurs de virole porteuse et courante
V p et V c prévues (figure 10).
● On estime ensuite les épaisseurs de viroles intermédiaires de la
manière suivante :
— première virole intermédiaire V j1 :
Vp + Vc
V j1 > ------------------2
— deuxième virole intermédiaire Vj2 :
• si V j1 > 2 V c alors :
V j1 + V c
V j2 > -------------------2
• si V j1 < 2V c , il n’est pas nécessaire d’installer une deuxième
virole intermédiaire.
2.4 Viroles
2.4.2 Calcul des viroles
2.4.1 Généralités
Le tube est constitué par un assemblage d’éléments soudés
appelés viroles. Elles sont fabriquées à partir de tôles en acier de
qualité E 24.2 ou A42 CP. Les tôles d’une largeur de 2 200 mm environ sont envirolées au diamètre intérieur du four ; les demi-viroles
ainsi obtenues sont ensuite soudées suivant leurs deux génératrices.
L’assemblage des viroles bout à bout s’effectue en quinconce de
manière à ne pas avoir un alignement des soudures longitudinales.
Le calcul des structures par la méthode des éléments finis est
couramment employé dans l’élaboration du projet de construction
d’un four rotatif.
Néanmoins, une méthode approchée de calcul permet à l’exploitant de contrôler les contraintes et les flèches dans la virole. Elle
consiste à évaluer les contraintes et déformations subies par le
four sous l’action de sollicitations qui sont de trois types (§ 1) : uniformément réparties, concentrées, évolutives.
On distingue trois catégories de viroles en fonction de leur position sur l’axe du four :
— les viroles courantes dont l’épaisseur varie de 22 à 36 mm ;
— les viroles intermédiaires de 40 à 60 mm ;
— les viroles porteuses ou sous bandage de 70 à 110 mm.
Le principe du calcul consiste à considérer le four comme une
poutre continue sur plusieurs appuis et à analyser cette structure
hyperstatique par l’analyse matricielle de structure et, plus particulièrement, par la méthode des déplacements (nœuds) [5]. De la
sorte, on obtient, en chaque nœud, les valeurs des efforts tranchants, des moments et des contraintes, dont on peut déduire, à
titre d’exemple, les résultats de la figure 11.
La déformation de la virole due à l’ovalisation est perceptible
jusqu’à une distance de 1,5 Ds de part et d’autre du bandage. Or,
la jonction entre virole courante et viroles intermédiaires se situe
Le calcul a été fait pour un four de 1 500 t/j avec un diamètre D
de 4,4 m et une longueur L de 68 m (la couronne dentée servant à
la mise en rotation du four).
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Bandage
aval
2
Bandage
médian
Couronne
Bandage
dentée
amont
Bandage
amont
Contraintes
résultantes
(daN/mm2 )
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
40
50
60
L (m)
0
10
20
30
Bandage
aval
1
0,5
0
– 0,5
–1
– 1,5
Bandage
médian
Couronne
Bandage
dentée
amont
Bandage
amont
Flèche (mm)
a contraintes
60
L (m)
b flèche
Figure 11 – Calcul des contraintes et de la flèche par la méthode des déplacements : exemple
2.4.3 Ovalisation des viroles
Si la vérification de l’ovalisation du bandage (§ 2.2.5) concerne
principalement l’ingénieur de conception, en revanche, le suivi et
le contrôle de l’ovalisation des viroles sont très importants pour
l’ingénieur d’exploitation du fait de la très forte corrélation entre
consommation de réfractaire et ovalisation de la virole au droit des
bandages.
La définition de l’ovalisation de la virole (%) est la suivante
(figures 8a et 8b ) :
Dh – ( Dv – S )
ω = ---------------------------------- 100
Ds
■ La méthode de Shelltest permet une évaluation de l’ovalisation
de la virole par la mesure continue des rayons de courbure de la
virole (figure 12a ).
L’appareil Shelltest consiste en une poutre métallique rigide de
1 m de longueur, fixée sur la virole dans le sens radial par des
aimants. Au centre de cette poutre, une jauge est appliquée de
façon continue sur la virole. Au cours de la rotation de la virole, un
index associé à la jauge trace sur un disque, toujours maintenu en
position verticale, une courbe amplifiée 10 ou 15 fois, qui est
l’image de la déformation de la virole.
Sur cette courbe, on détermine la valeur f de l’amplitude maximale du tracé de la déformation ; f est prise en compte par la formule de Rosenblad [6] pour déterminer l’ovalisation de la virole :
4D
ω = --- ------2s f 100
3 <
avec
Ds (m) diamètre de la virole du four,
< (m) longueur de l’appareil Shelltest (1 m),
f (mm) amplitude de tracé du Shelltest.
Les diagrammes tracés à l’aide de l’appareil Shelltest correspondant à des fours équipés de bandages « faibles » et de bandages
« forts » sont représentés figure 12b , pour illustrer.
BE 8 845 − 8
2.4.4 Déplacement relatif virole-bandage
Le déplacement (ou glissement) U entre virole et bandage
(figure 8a ) est défini par :
U = πD L – πD s = π C
La mesure simultanée du glissement U et du jeu S supérieur du
bandage se réalise simplement par un dispositif comprenant un
crayon fixé par aimant sur la virole du four ; il trace une courbe
caractéristique sur un papier solidaire d’un des champs du bandage (figure 13a )
La figure 13b représente quelques courbes obtenues avec cet
outil de contrôle.
2.4.5 Maîtrise de l’ovalisation de la virole
La durée de vie des réfractaires sera améliorée si l’on réduit
l’ovalisation de virole soit en choisissant les bandages du type
cranté qui permettent d’obtenir une ovalisation de virole minimale,
soit en ajustant au mieux le jeu entre virole et bandage dans le cas
des bandages flottants.
En fonction du diamètre du four, les valeurs admises pour l’ovalisation de virole, à chaud, évaluée d’après Shelltest sont les suivantes, données par le tableau 1.
Pour corriger un jeu excessif entre virole et bandage flottant, on
met en place des cales ou de nouvelles plaques supports.
La détermination de l’épaisseur de ces plaques se fait après
observations répétées du déplacement relatif (U ) entre bandage et
virole :
1 U min 
p = ---  ------------–j

2
π
avec
p
Umin
j
(mm) épaisseur des plaques,
(mm) déplacement relatif minimal,
(mm) jeu effectif résiduel à chaud (c’est-à-dire la
valeur de S après mise en place de cales d’épaisseur p ).
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Virole
f
r1
r2
α2
Pointe
traçante
Base magnétique
α1
a appareil de mesure du glissement et du jeu
Courbe pour U/S = 1,8
Fours
S Courbe pour U/S = 2,2 « rigides »
U
a principe
Courbe pour U/S = 1,2
Fours
Courbe pour U/S = 1,5 « flexibles »
Fours « tordu » ou mal aligné
b traces du jeu (S ) et du glissement (U )
Ds = 3 m
ω = 1,11 %
Ds = 4,8 m
ω = 0,52 %
Figure 13 – Déplacement relatif entre virole et bandage
Bandages faibles
On prend en général :
j = 3 mm pour D = 4 m ;
j = 5 mm pour D = 6 m.
Pour un four de diamètre 5 m, on estime que le déplacement
relatif doit être limité à 15 mm par tour.
Ds = 6 m
ω = 0,19 %
2.4.6 Surveillance du jeu pendant l’allumage
Ds = 6 m
ω = 0,77 %
Lors de l’allumage du four, la température de la virole augmente
plus rapidement que celle du bandage de sorte que le jeu entre
virole et bandage diminue progressivement, de la valeur de jeu « à
froid » à la valeur « fonctionnement normal ».
Il est important de contrôler cette évolution de manière à éviter
tout frettage de la virole, à l’intérieur du bandage, qui serait à l’origine de déformations permanentes.
Il y a en effet un compromis difficile à trouver entre, d’une part,
le jeu optimal « à froid » qui permet d’obtenir une ovalisation du
four faible et, d’autre part, le jeu « de sécurité » qui permet d’éviter
le frettage en toutes circonstances.
Bandages forts
b diagrammes
r1 , r2
rayons de courbure de la virole
α1 , α2 angles au centre correspondants
Figure 12 – Méthode de Shelltest : principe et diagrammes
Tableau 1 – Valeurs admises pour l’ovalisation de la virole
Diamètre de four D ......................................................... (m)
3
4
5
6
Bandage cranté ω ........................................................... (%)
0,2
0,25
0,3
0,4
Bandage flottant ω ......................................................... (%)
0,3 à 0,4
0,4 à 0,5
0,4 à 0,6
0,5 à 0,7
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BE 8 845 − 9
C (mm)
U (mm)
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
12
40
9
30
6
20
3
10
0
0
D=5m
0
50
100
150
200
250
∆T (°C)
a électrohydraulique
Figure 14 – Écart de température maximal admissible en fonction
du jeu à froid
Exemple : le diagramme de la figure 14 indique, pour un four de
5 m, l’écart de température maximal admissible pour un jeu « à froid »
initial donné :
Pour un jeu « à froid » initial C = 9 mm, le déplacement est :
U = π C = 30 mm
pour lequel l’écart de température entre virole et bandage à ne pas
dépasser sera de 150 oC.
b électromécanique
Des systèmes de contrôle en continu « embarqués » (tournant
avec le four) ont été développés pour permettre la surveillance du
jeu, plus particulièrement dans les phases d’allumage.
2.5 Entraînement
2.5.1 Généralités
L’entraînement des fours s’effectue le plus souvent par l’intermédiaire d’un couple pignon-couronne dentée.
La couronne dentée est réalisée en deux pièces reliées à la virole
soit par des bretelles tangentielles, soit par des lames « flexibles »
fixées sur des sabots.
La commande du four est disposée dans la partie supérieure de
manière à la protéger le plus possible de la chaleur ambiante.
Pour réduire les risques de déformation qui ne manqueraient
pas de se produire, sur arrêt brutal par manque de courant, on prévoit, en général, un groupe de virage de secours (pour mise en
rotation à vitesse très réduite par un entraînement auxiliaire) alimenté par une source d’énergie électrique indépendante (groupe
électrogène diesel). Le dispositif de virage est également utile lors
des opérations de maintenance.
Le moteur d’entraînement est, dans la plupart des cas, un
moteur électrique à vitesse variable. Il est possible d’installer une
commande hydraulique, mais les expériences sont encore relativement peu nombreuses et récentes ; elles ne permettent pas d’affirmer que les deux inconvénients présentés par ce type de
commande ont été supprimés, à savoir :
— un rendement global de 75-80 au lieu de 85-90 ;
— une durée de vie plus faible pour les moteurs hydrauliques.
BE 8 845 − 10
c par fixation entre galet et bandage
Figure 15 – Commande directe des fours (Polysius)
2.5.2 Entraînement direct
La nouvelle technologie du four à deux appuis autorise l’utilisation de l’entraînement direct par un ou deux galets commandés
électrohydrauliquement (figure 15a ) ou électromécaniquement
(figure 15b ) en alternative à l’entraînement par pignon et couronne. Cette technique fait l’objet d’applications industrielles
depuis 1995.
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c = 0,76 × 10–3 pour un angle de talus naturel de 35o
(four à ciment),
c = 0,92 × 10–3pour un angle de talus naturel de 40o,
c = 1,8 × 10–3 pour les fours avec dispositif intérieur de
relevage de la matière.
D
θ
■ Les puissances P2 et P3 sont la somme des puissances partielles
calculées pour chaque appui.
Db × Dp
–4 Q f
P 2 = 0,58 × 10 ---------------- ---------------------- n f
cos α
Dg
θ
Db + Dg
–8 Q f
P 3 = 5,7 × 10 ---------------- ---------------------- n
cos α
Dg
avec
a
Lit de matière
G
a angle de talus
Db
α
Dg
Dp
Qf
α
Db
Dg
Dp
f
poids du four rotatif pour chaque appui,
défini figure 16b (en général 30o, cf. § 2.1),
(m) diamètre du bandage,
(m) diamètre du galet,
(m) diamètre du palier,
coefficient de frottement dont la valeur dépend du
type de palier,
f = 0,02 pour un palier lisse lubrifié à l’huile,
f = 0,06 pour un palier lisse lubrifié à la graisse,
f = 0,01 pour un palier à roulement à billes.
■ Une formule simplifiée pour la puissance absorbée a été
proposée [3] :
P = 16,7 × 10–2 D 2 L
Compte tenu des aléas de production qui peuvent conduire à des
puissances absorbées anormalement élevées dues :
— soit à la formation de collages et d’anneaux ;
— soit à la destruction partielle des anneaux et à la formation de
balourds ;
— soit aux déformations en vilebrequin de la virole,
il est d’usage courant de prendre des coefficients de sécurité de 2
à 2,5 par rapport aux résultats des calculs effectués pour la détermination de la puissance à installer.
Figure 16 – Angle de talus
La commande directe par les galets impose l’utilisation de bandage cranté à fixation élastique pour transmettre le couple à la
virole du four (figure 15c ).
2.5.3 Calcul de la puissance
La puissance P absorbée par le four est la somme des puissances nécessaires pour vaincre les différents éléments résistants :
— la charge à mettre en mouvement (P1) ;
— les forces de frottement entre galets et palier (P2) ;
— les forces liées au contact entre galets et bandages (P3).
On a donc :
P = P 1 + P2 + P3
Une approche théorique permet d’évaluer ces puissances, avec
les formules suivantes [1].
■ En général, P 1 représente 85 % de la puissance totale. On a :
P1 = 86,4 (D sin θ )3 Lnc
avec
θ
1/2 angle de talus de matière vu du centre du four,
défini sur la figure 16a,
n
(tr/min) vitesse de rotation,
c
coefficient dont la valeur est fonction de l’angle de
talus naturel,
Nota : il s’agit de puissance réellement installée, différente de la puissance à installer. La
puissance réellement installée intègre la notion de standardisation des puissances moteur
au sein d’une usine ou d’une société.
Exemple :
four deux appuis ....... D = 4,3 m ; L = 55,0 m..... P = 400 kW
four trois appuis ........D = 5,2 m ; L = 80,0 m ..... P = 800 kW
La figure 17 indique la puissance théorique du four, pour un
rapport L /D = 14, calculée en application de la formule simplifiée
précédente, ainsi que la tendance observée sur des fours DS4 et
DGN (cf. [BE 8 844] § 2.1) de rapport L /D voisin de 14. Ce graphique confirme l’usage d’un coefficient de sécurité de l’ordre de 2,5.
Puissance (kW)
b station de roulement
1 400
Fours
Four DS-4
DS-4 et
et DG-N
DG-N installés
installés avec
avec LU/D
D<
< 14
1 200
1 000
800
600
400
200
Formule théorique L/D = 14
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
Diamètre intérieur des tôles (m)
Figure 17 – Puissance pour un four en fonction du diamètre
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
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BE 8 845 − 11
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
La durée de vie des éléments importants du four est calculée en
années, sur une base de 300 jours de marche par an, 24 h /24, soit
7 200 h.
■ Les bandages peuvent subir des casses et fissures entre 0 et
15 ans de service (8 % des cas). Au-delà de 15 ans, une dégradation
par écaillage apparaît dans 5 % des cas tandis que le risque de casse
ou fissure est réduit à 2 %.
Production (t/j)
3. Maintenance
7 000
6 000
5 000
4 000
3 000
Globalement 85 % des bandages ont une durée de vie de 25 ans.
2 000
■ Les viroles courantes ont des durées de vie de l’ordre de 20 à
30 ans ; mais des phénomènes de corrosion de la virole, liés à
l’usage de matières premières ou combustibles particuliers, peuvent apparaître et conduire en quelques années à des remplacements de tronçons de virole.
1 000
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
4,6
4,8
Diamètre intérieur des briques (m)
De même, une conduite de four, sans ménagement, engendre
des déformations permanentes irréversibles que l’on peut assimiler à des accidents. Ces déformations ne seront supprimées que
par remplacement des viroles.
Figure 18 – Four à deux appuis : relation entre production
et diamètre
En outre, la virole de sortie de four est très sollicitée et peut être
quelquefois remplacée dans les 3 à 5 ans.
nant le dimensionnement mécanique (contraintes, ovalisations,
déformations, flèches). Toutefois, cette nouvelle technologie est
mise en œuvre moyennant quelques adaptations souvent différentes selon les constructeurs au niveau des constituants essentiels du
four rotatif. Elle présente aussi quelques risques.
4. Four à deux appuis
La figure 18 donne la courbe de tendance qui existe entre production et diamètre.
Le renforcement de la précalcination, jusqu’à 65 % du débit de
combustible total, a permis d’obtenir un taux de décarbonatation
de la matière à l’entrée du four de l’ordre de 90 à 95 %. Ainsi, il a
été possible de réduire la longueur de la zone de décarbonatation
du four où les conditions d’échange entre fumées et matière sont
médiocres.
Depuis quelques années, le rapport L /D de la longueur au diamètre des fours, à voie sèche à précalcination, a, comme on l’a vu
§ 1, diminué en passant de valeurs voisines de 14/18 à des valeurs
comprises entre 10 et 13 permettant ainsi de concevoir des fours
sur deux appuis au lieu de trois et de réaliser des économies dans
le coût d’investissement.
■ Quel que soit le constructeur, il n’y a pas de différence sensible
dans les valeurs limites admissibles du cahier des charges concer-
BE 8 845 − 12
■ Pour obtenir une économie de coût d’investissement significative, il faut recourir à un rapport L /D de l’ordre de 10.
On constate que les fours à deux appuis ont une production spécifique moyenne Ps de l’ordre de 4,8 t/j · m3 alors que la valeur
moyenne des fours à précalcination totale est de 3,5 pour un L /D
moyen de 15,7.
L’économie sur le coût d’investissement entre un four à trois
appuis et un four à deux appuis, de capacité de production égale,
se fait à trois niveaux : réfractaires, génie civil et matériel mécanique.
Une estimation faite pour un four d’une capacité de 3 000 t/j
montre que le matériel mécanique (virole, bandage, galets, couronne) passe : de 512 t pour L /D = 16 à 443 t pour L /D = 14 et 366 t
pour L /D = 10, soit une réduction de près de 30 %.
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