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Garnissage réfractaire pour un caisson de refroidissement d'un four métallurgique.
La présente invention concerne un garnissage réfractaire pour un caisson de refroidissement d'un four métallurgique, en particulier un hautfourneau. Ce type de caisson est également connu dans la technique sous l'appellation de"stave cooler", particulièrement dans le domaine du hautfourneau, auquel on fera plus spécialement référence dans la description qui suit.
Sans entrer dans le détail de sa constitution ou de son fonctionnement, on rappellera brièvement qu'un tel caisson est constitué par une pièce de grandes dimensions, généralement en fonte, dans laquelle sont noyés des tuyaux de circulation d'un agent de refroidissement. Il est disposé à l'intérieur du haut-fourneau, parallèlement à son blindage externe. Il présente une face dite extérieure, proche de la surface intérieure de ce blindage dont elle peut être séparée par une couche de matériau isolant, et une face dite intérieure, exposée aux matières présentes dans le hautfourneau. Un haut-fourneau est habituellement équipé de nombreux caissons, disposés en plusieurs rangs horizontaux.
La face intérieure du caisson est pourvue d'un garnissage réfractaire de protection contre l'action érosive de la charge et contre les sévères agressions chimiques et thermiques dues aux réactions se déroulant dans le haut-fourneau.
Initialement, ce garnissage réfractaire était constitué par des briques réfractaires, habituellement supportées par une margelle prévue à la partie inférieure de certains rangs de caissons. Malgré tout le soin apporté au maçonnage de ces briques, il arrivait fréquemment qu'elles se descellent sous l'effet des sollicitations précitées et qu'elles tombent dans le fourneau, laissant ainsi sans protection des panneaux plus ou moins grands de la face.
Pour pallier cet inconvénient, on a par la suite remplacé les briques par une couche de béton réfractaire accrochée au caisson par des ancrages appropriés, notamment par un profilage de la face intérieure du caisson.
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Dans cette solution, le béton appliqué sur le caisson ne peut cependant pas être cuit, car les températures nécessaires pour sa cuisson sont beaucoup trop élevées pour la fonte constituant le caisson. Il en résulte que sa tenue est sensiblement réduite, en particulier dans les zones où il est exposé à des sollicitations sévères par abrasion mécanique et surtout par agression chimique.
En principe, on peut envisager la remise en état, par exemple par gunitage, d'un garnissage de béton endommagé, mais cette solution n'est guère pratique et elle est en outre coûteuse en raison des pertes de production qu'elle entraîne, car elle implique la mise à l'arrêt du haut-fourneau.
La présente invention a pour objet de proposer un garnissage réfractaire pour un caisson de refroidissement d'un four métallurgique, en particulier d'un haut-fourneau, appartenant au type précité mais ne présentant pas les inconvénients qui viennent d'être indiqués. Il faut notamment que le garnissage soit constitué essentiellement par un matériau réfractaire cuit et qu'il soit solidement accroché au caisson, afin de présenter une tenue suffisante et un transfert thermique optimal.
Conformément à la présente invention, un garnissage réfractaire pour un caisson de refroidissement d'un four métallurgique, en particulier un haut-fourneau, ledit caisson comportant une face dite extérieure et une face dite intérieure, ledit garnissage étant formé sur ladite face intérieure et étant constitué essentiellement de briques réfractaires, est caractérisé en ce que ledit caisson est pourvu de moyens d'accrochage et en ce que lesdites briques réfractaires comportent des moyens de fixation coopérant avec lesdits moyens d'accrochage.
En raison des différences de dilatation thermique entre le caisson métal- lique et les briques réfractaires qu'il porte, il est préférable que chaque brique coopère avec un seul moyen d'accrochage. Il ne sortirait cependant pas du cadre de la présente invention qu'une même brique coopère simultanément avec deux ou plus de deux moyens d'accrochage ; dans ce cas, la disposition desdits moyens d'accrochage doit être déterminée de façon à réduire dans toute la mesure du possible les effets des dilatations.
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Les moyens d'accrochage prévus sur le caisson de refroidissement peuvent présenter les formes les plus diverses. En principe, la seule condition est qu'ils doivent être compatibles avec les moyens de fixation prévus dans les briques réfractaires.
En pratique, il convient néanmoins de choisir une forme permettant la fabrication et la mise en place aisées des briques réfractaires.
A cet égard, il convient de préciser qu'au sens de la présente demande, une brique réfractaire est une pièce façonnée en matière réfractaire, fabriquée séparément de la structure du caisson de refroidissement et soumise à un traitement thermique, généralement une cuisson, lui conférant des propriétés avantageuses par rapport à celles d'un matériau simplement séché.
Suivant une première forme particulière de réalisation, lesdits moyens d'accrochage sont constitués par des éléments métalliques cylindriques, fixés dans le caisson. Ces éléments cylindriques peuvent présenter une section de forme quelconque ; pour la facilité de leur fabrication, ils ont cependant une forme régulière, de préférence ronde ou carrée. Ils sont en principe rectilignes et horizontaux, mais il peut être intéressant de les incliner ou de les incurver légèrement vers le haut, de façon à former une sorte de crochet sur lequel la brique peut s'engager. Les moyens de fixation d'une brique sur un tel élément métallique consistent en un logement allongé, ménagé dans la brique réfractaire avec une forme et des dimensions correspondantes à celles dudit élément métallique.
Selon une autre forme de réalisation, l'élément cylindrique présente, de préférence à son extrémité, une partie filetée sur laquelle vient se visser une partie filetée correspondante ménagée dans le fond du logement prévu dans la brique réfractaire. Dans cette variante, l'élément cylindrique fileté sera rectiligne et de préférence fixé perpendiculairement à la face du caisson, et son logement sera parallèle à l'axe de la brique.
De plus, les briques auront de préférence une section circulaire, afin de permettre leur mise en place aisée par vissage sur l'élément cylindrique, à faible distance l'une de l'autre.
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Dans le cas où les briques n'auraient pas une section circulaire ou si les éléments cylindriques ne sont pas perpendiculaires à la face du caisson, les briques seraient d'abord engagées, éventuellement sur les éléments cylindriques déjà mis en place, puis ces derniers seraient vissés dans les logements prévus dans les briques respectives.
Selon une caractéristique particulière intéressante, lesdits éléments métalliques cylindriques peuvent être creux et constituer ainsi des éléments tubulaires.
Dans une première forme de réalisation, l'extrémité distale d'un tel élément tubulaire, c'est-à-dire son extrémité éloignée du caisson, est fermée et ledit élément tubulaire est parcouru par un agent de refroidissement, par exemple de l'eau. Cet agent de refroidissement peut provenir soit du circuit de refroidissement existant dans le caisson de refroidissement proprement dit, soit d'un circuit indépendant alimenté par une source distincte.
D'une manière générale, les éléments cylindriques décrits plus haut se prolongent à travers le caisson de refroidissement et/ou le blindage du four, auxquels ils sont fixés par des moyens appropriés.
A cet égard, pour éviter de percer des trous de grandes dimensions à travers le caisson et éventuellement à travers le blindage, les moyens d'accrochage d'une brique peuvent être constitués par plusieurs tiges filetées de moindre section ; celles-ci sont d'une part vissées dans la brique réfractaire et d'autre part elles traversent le caisson entre les conduites du circuit de refroidissement et elles sont fixées à celui-ci, ou au blindage, par un moyen approprié, par exemple par boulonnage.
Il n'est cependant pas toujours souhaitable d'utiliser un tel système de fixation, en particulier avec des caissons de refroidissement existants, car il implique le perçage du caisson de refroidissement et éventuellement du blindage du four si les passages adéquats n'ont pas été prévus dès l'origine.
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Dans ce cas, les moyens d'accrochage seront avantageusement fixés uniquement à la face intérieure du caisson de refroidissement. Ils peuvent alors dériver des divers types d'éléments cylindriques qui ont été décrits plus haut, en utilisant un moyen de fixation approprié connu en soi, par exemple en vissant l'élément cylindrique dans un trou borgne fileté dans la face du caisson.
Dans une autre forme de réalisation, lesdits moyens d'accrochage sont constitués par. un élément tubulaire dont l'extrémité distale est ouverte et qui est fixé à la face intérieure du caisson, par exemple par soudage ou par boulonnage. De cette manière, ledit élément tubulaire constitue lui-même un alvéole dans lequel la brique réfractaire vient se loger. Il est généralement horizontal, mais il peut être légèrement incliné vers le haut ; il est destiné à recevoir une brique réfractaire massive, de forme prismatique ou cylindrique correspondante. Ces alvéoles ne s'étendent de préférence pas sur toute la longueur des briques qu'ils contiennent, de façon à ne pas faire apparaître de partie métallique dans la surface extérieure du garnissage réfractaire.
L'assemblage des briques sur la face du caisson peut en plus être renforcé par des tiges métalliques fixées à cette face.
Dans toutes les formes de réalisation qui viennent d'être décrites, il n'a pas été fait référence à la géométrie de la face intérieure du caisson de refroidissement. Cette face n'est pas nécessairement plane. Il existe de nombreux types de caissons de refroidissement dont la face intérieure présente un profilage spécifique, répondant à des objectifs particuliers.
Suivant une autre forme particulière de réalisation, destinée à permettre le montage d'une brique sur la face profilée d'un caisson, lesdits moyens de fixation sont constitués par un élément métallique allongé, dont une extrémité comporte une tête apte à être accrochée au profilage de ladite face et dont l'autre extrémité est pourvue de moyens d'ancrage dans une brique réfractaire.
A titre d'exemple non limitatif, un tel profilage peut être constitué par des rainures horizontales de section trapézoïdale ; les moyens d'accrochage pourront par exemple consister en des tiges dont une extrémité sera une
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tête en queue d'aronde correspondant à la section de la rainure, et dont l'autre extrémité sera filetée pour se visser dans la brique réfractaire. Il pourra en plus être prévu des cales à glisser entre les flancs de la rainure et la tête de la tige pour ajuster et fixer la position de la brique. Les interstices subsistant dans l'assemblage pourront ensuite être remplis d'une masse à damer adéquate, par exemple fortement conductrice de la chaleur.
L'expérience pratique a par ailleurs montré que certains types de briques réfractaires étaient particulièrement aptes à résister aux sollicitations mécaniques, chimiques et thermiques exercées dans les hauts-fourneaux. Il s'agit de briques à base d'alumine (A1203) ou de carbure de silicium (SiC) présentant des liaisons de type nitrure ou Sialon obtenues par nitruration sous une atmosphère d'azote. Il est ainsi apparu que l'épaisseur des parties massives des briques réfractaires ne devait de préférence pas être supérieure à la profondeur de pénétration de l'azote dans le réfractaire pendant la durée nécessaire à la cuisson des briques.
Selon une caractéristique supplémentaire du dispositif de l'invention, les parties massives des briques réfractaires auront une épaisseur maximale comprise entre 80 mm et 150 mm, et de préférence entre 90 mm et 120 mm, suivant divers facteurs tels que la nature du réfractaire, le degré de perméabilité des briques et leurs conditions de cuisson et de nitruration.
Outre les avantages liés à la nitruration, les briques réfractaires de plus petites dimensions, ou divisées en plusieurs parties, permettent de réduire le poids supporté par les moyens d'accrochage et de limiter les déformations hétérogènes dues aux dilatations thermiques différentielles au sein des briques.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les distances séparant les moyens d'accrochage les uns des autres et les dimensions transversales des briques sont telles qu'il peut subsister entre les briques, après leur mise en place sur lesdits moyens d'accrochage, un intervalle compris entre 15 mm et 80 mm, de préférence compris entre 20 mm et 40 mm, cet intervalle étant ensuite rempli de béton réfractaire ou de masse à damer afin de solidariser d'une part l'ensemble des briques et d'autre part les caissons
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entre eux tout en conférant à l'assemblage une certaine élasticité.
Le garnissage réfractaire conforme à l'invention peut être réalisé en atelier par une méthode simple et sûre.
On fixe les moyens d'accrochage sur la face intérieure d'un caisson de refroidissement, ou dans le caisson proprement dit suivant le type de moyens d'accrochage utilisé, en respectant les distances requises pour maintenir un intervalle suffisant entre les briques. On pose ensuite les briques sur lesdits moyens d'accrochage et on remplit de béton réfractaire ou de masse à damer les intervalles entre les briques. Si nécessaire, on fait sécher pendant un temps suffisant pour assurer la prise du béton ou de la masse de jointoiement, puis on peut mettre en place le caisson de refroidissement dans le four, en particulier le haut-fourneau.
Dans le cas où l'on utilise des éléments cylindriques filetés, on peut soit positionner la brique sur la face du caisson puis visser l'élément fileté dans la brique, soit fixer ledit élément fileté sur le caisson et ensuite visser la brique sur cet élément. La première technique pourra être utilisée aussi bien avec les éléments filetés droits qu'avec les éléments filetés inclinés et avec tous les types de briques, tant droites qu'inclinées, tandis que la seconde technique sera réservée de préférence à la pose de briques droites sur des éléments droits.
Les briques réfractaires sont avantageusement cimentées sur les moyens d'accrochage, afin d'éviter tout mouvement intempestif au sein du garnissage. De plus, les divers éléments métalliques constituant lesdits moyens d'accrochage sont de préférence réalisés en acier réfractaire.
Un garnissage réfractaire réalisé conformément à l'invention présente l'avantage d'être constitué essentiellement de briques réfractaires, d'être fermement accroché à la face du caisson de refroidissement et d'être solidarisé par un enrobage de béton ou de masse réfractaire. La tenue du garnissage et la durée de vie d'un caisson de refroidissement ainsi protégé sont fortement accrues par rapport à celles des dispositifs existants.
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L'invention sera décrite en détail au moyen de quelques exemples de réalisation, illustrés par les dessins annexés dans lesquels la Fig. 1 montre une brique simplement engagée sur un élément tubulaire tra- versant perpendiculairement le caisson ; la Fig. 2 est analogue à la Fig. 1, avec un élément tubulaire légèrement incliné vers le haut ;
la Fig. 3 illustre le montage d'une brique sur un élément tubulaire à bout fileté, traversant perpendiculairement le caisson ; la Fig. 4 représente une brique en deux parties, accrochée par des tiges filetées uniquement au caisson de refroidissement ; la Fig. 5 montre deux variantes de briques logées dans des alvéoles, respec- tivement perpendiculaire et légèrement incliné vers le haut ; et la Fig. 6 est une vue de face montrant un ensemble de briques noyées dans un enrobage de béton réfractaire.
Les différentes figures constituent des représentations schématiques, dans lesquelles on n'a reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. Chacune des Fig. 1 à 5 représente, en coupe longitudinale, une brique réfractaire accrochée à un caisson de refroidissement équipant un haut-fourneau de manière connue en soi. Ce caisson présente une face dite extérieure 2, disposée à proximité de la face intérieure du blindage du haut-fourneau, et une face dite intérieure 3, sur laquelle est monté le garnissage réfractaire. Ce garnissage se compose de plusieurs briques dont une seule est représentée dans les différentes figures, dans un souci de clarté du dessin. Les liaisons cimentées sont représentées par des zones pointillées, qui ne portent pas de repères numériques.
Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes repères numériques dans toutes les figures.
La Fig. 1 illustre un caisson de refroidissement du type précité, sur lequel une brique réfractaire est maintenue par des moyens d'accrochage correspondant à une première forme de réalisation de l'invention.
Porr accrocher une brique, le blindage 1 et le caisson de refroidissement sont percés d'un trou, situé entre deux conduites de refroidissement du caisson, dans lequel est introduit un élément tubulaire 4. L'élément tubulaire 4 est fermé à son extrémité distale ; il contient un tube central qui
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permet la circulation d'un agent de refroidissement, tel que Teau ou l'air, suivant les flèches. Ledit élément 4 porte un collet 5 qui vient buter contre la face intérieure 3 afin d'assurer une mise en place correcte et aisée. Des moyens de fixation, non représentés, assurent son maintien à l'extérieur du blindage 1. Sur cet élément tubulaire 4 est engagée une brique réfractaire 6, dans laquelle on a ménagé un logement 7 de forme et de dimensions appropriées.
Ce logement est légèrement plus long que l'élément 4, afin que la brique 6 puisse venir s'appliquer contre la face intérieure 3 du caisson tout en tenant compte de la dilatation possible de l'élément tubulaire. Dans la face de contact de la brique avec la face intérieure 3, on a prévu un épaulement 8 pour loger le collet 5.
La Fig. 2 illustre une variante du dispositif de la Fig. 1, dans laquelle l'élément tubulaire 4 est légèrement incliné vers le haut et où la brique réfractaire 6 présente une section longitudinale en forme de parallélogramme, avec un logement intérieur 7 parallèle aux côtés supérieur et inférieur du parallélogramme. Il faut noter que le collet 5 de la Fig. 1 est ici remplacé par un ergot 9, logé dans une encoche 10 de la brique réfractaire 6. Cet ergot joue d'une part le rôle de butée pour la mise en place de l'élément tubulaire 4 et d'autre part un rôle de cale pour empêcher la rotation de la brique réfractaire 6 sur ledit élément 4.
Selon une autre variante non représentée, l'élément tubulaire est encore légèrement incliné vers 1 e haut et la brique réfractaire présente une section longitudinale rectangulaire, et le logement destiné aux moyens d'accrochage est creusé en oblique dans la brique.
La forme de réalisation illustrée dans la Fig. 3 comprend également une brique réfractaire 6 engagée sur un élément tubulaire 4. Dans cette variante, l'élément tubulaire 4 est pourvu d'un collet de butée 5 comme dans la variante de la Fig. 1 et la brique réfractaire 6 présente un épaulement 8 pour loger le collet s. Sur une partie de sa longueur, l'éléments tubulaire 4 est pourvu d'un filetage extérieur 11, sur lequel vient se visser un filetage intérieur 12 formé au fond du logement 7. Ce filetage est avantageusement du type que l'on rencontre dans les assemblages filetés de pièces réfractaires.
Dans la figure, l'élément tubulaire 4 comporte une partie d'extrémité pleine, qui est pourvue dudit filetage
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extérieur ; il va de soi d'une part que cette partie pleine est facultative et d'autre part que le filetage pourrait se prolonger sur la partie creuse dudit élément tubulaire 4.
Le diamètre intérieur de la partie non filetée du logement 7 est au maximum égale au diamètre extérieur de la portée filetée de l'élément tubulaire 4. De plus, la longueur du logement 7 est légèrement supérieure à celle de la partie de l'élément tubulaire 4 qu'elle doit recevoir, de façon à permettre le vissage de la brique réfractaire 6 sur l'élément 4 jusqu'à ce qu'elle s'applique correctement contre la face intérieure 3 du caisson de refroidissement en tenant compte des dilatations'possibles.
L'élément tubulaire 4 est fixé au caisson et/ou au blindage 1 par des moyens connus en soi, non représentés.
La Fig. 4 illustre une variante dans laquelle le garnissage est constitué de briques réfractaires en deux parties, à savoir une partie périphérique 15 fixée au caisson de refroidissement et une partie centrale 16 maintenue contre le caisson par la partie périphérique 15. La brique, représentée en coupe longitudinale, présente une section transversale carrée, avec des angles arrondis.
La partie périphérique 15 est fixée à la face intérieure 3 au moyen de tiges filetées 18, vissées d'une part par un premier filet dans la brique réfractaire 15 et d'autre part fixées au caisson par des écrous de serrage 19. Les tiges 18, réalisées de préférence en acier réfractaire, traversent le caisson par des boutonnières destinées à tenir compte de la dilatation thermique du caisson. A sa surface latérale interne, la partie périphérique 15 présente un évasement 20 à son extrémité en contact avec la face intérieure 3.
La partie centrale 16 présente également un pied évasé 21 correspondant à l'évasement 20 de la partie périphérique 15. L'interstice subsistant éventuellement entre les deux portées évasées est rempli de ciment. En revanche, la partie cylindrique de l'intervalle entre les deux parties 15 et 16 est rempli de béton réfractaire ou de masse à damer 17, comme les intervalles entre des briques voisines.
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Cette variante est particulièrement intéressante, car elle ne nécessite pas le perçage du blindage du four. De plus, elle ne requiert que la pose de quelques tiges filetées dans la partie périphérique 15, la partie centrale 16 étant calée en place grâce à la forme particulière des portées de contact 20 et 21.
La variante de la Fig. 5 constitue une autre forme de réalisation des moyens d'accrochage des briques réfractaires. Dans cette variante, la face intérieure 3 du caisson est garnie d'éléments tubulaires ouverts, de préférence en acier réfractaire, qui sont soit perpendiculaires 13, soit obliques 14, par rapport à cette face, et qui forment des alvéoles dans lesquels sont insérées les briques réfractaires 6. Celles-ci présentent une section adaptée à la forme des alvéoles.
Dans toutes les formes de réalisation qui viennent d'être décrites, les briques réfractaires 6 ou 15-16, et par conséquent les éléments 4, les alvéoles 13,14 ou les tiges filetées 18 peuvent être disposés selon toute répartition sur la face intérieure 3 du caisson de refroidissement. Pour la facilité de l'assemblage, il est préférable que cette répartition soit régulière, tout en veillant à briser les joints verticaux.
La Fig. 6 montre un exemple de répartition de briques réfractaires 6 de section circulaire. On a adapté l'écartement des divers éléments 4 et le diamètre extérieur des briques réfractaires 6 de telle sorte qu'il subsiste entre les briques, en leurs points les plus proches, un intervalle de 30 mm environ. L'espace laissé libre entre les briques réfractaires 6 est ensuite rempli de béton réfractaire ou de masse à damer 22 qui, après durcissement, immobilise les briques réfractaires et accroît la résistance de l'ensemble tout en lui évitant un excès de rigidité.
Un autre avantage des variantes utilisant des éléments tubulaires à bout fermé réside dans la possibilité de maintenir le refroidissement à l'eau ou à l'air, même en cas de percée de l'extrémité dudit élément. Dans ce cas, on coupe l'arrivée de l'agent de refroidissement à cet élément, on remplit l'élément d'une pâte de ciment que l'on laisse durcir, on enlève le tube central et le ciment durci remplissant l'élément tubulaire 4, par exemple par forage jusqu'à une profondeur inférieure à celle de la brique
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restante et on met en place un nouveau tube central, plus court que le précédent, qui permet de reprendre le refroidissement de la brique.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et illustrés. Elle s'étend également à diverses modifi- cations qu'un homme de métier pourrait y apporter, en particulier dans le mode d'accrochage des briques sur la face du caisson de refroidissement ou dans la disposition des briques sur cette face.