Brevet FR2023564A1 — publié le 19700821

La présente invention concerne un corps réfractaire creux, destiné notamment à protéger une sonde ou une lance refroidie à l'intérieur et plongée dans une matière en fusion, par exemple une lance servant à la mesure de la température d'une telle matière. 5 L'industrie sidérurgique utilise de plus en plus des lances et des dispositifs analogues comprenant une partie de mesure qui est entièrement ou partiellement refroidie, et qui sont plongés dans des matières en fusion en vue de la surveillance de la progression de processus métallurgiques. On peut citer comme exemple, des lances servant à la mesure de la température, et 10 dont la partie de mesure proprement dite comprend un thermocouple placé dans un tube protecteur. Ce dernier ainsi que le thermocouple doivent être protégés au moyen d'une enveloppe réfractaire contre le laitier et le métal. Lorsqu'on utilise de telles lances dans un convertisseur avec soufflage par le haut ou dans un appareil analogue, on s'dforce d'obtenir une durée de ser-15 vice du dispositif de mesure qui couvre un nombre aussi élevé que possible de charges du convertisseur. L'enveloppe de protection en matériau réfractaire d'une lance de mesure doit pouvoir résister aux sollicitations thermiques intenses résultant de l'important gradient de la température entre la face extérieure chaude, et la face intérieure qui est entièrement ou partiel-20 lement refroidie ; elle doit en outre résister à l'attaque chimique par le laitier et le métal liquides, résister aussi bien que possible aux hautes températures, et supporter correctement les alternances de cette dernière. Le gradient thermique d'une telle enveloppe est notablement plus élevé que celui de briques réfractaires servant au revêtement de fours Siemens-Martin 25 ou d'un convertisseur, en raison de la grande différence de température, déjà mentionnée, entre la face extérieure et la face intérieure, et en raison de l'épaisseur de paroi relativement faible que peut avoir une telle enveloppe. Par suite de la durée de séjour relativement courte de la lance de mesure dans le bain, cette durée étant par exemple de 20 à 25 mn pendant l'affinage 30 d'une charge, la lance étant ensuite retirée du bain,onr.n'obtient jamais des températures stables à l'intérieur du matériau réfractaire. On comprend donc aisément que les exigences posées à une enveloppe réfractaire de la partie de mesure d'une lance sont considérablement plus sévères que les exigences auxquelles doivent répondre. . les briques réfractaires les plus exposées 35 de la voûte d'un four, ou d'un appareil analogue. Il n'a pas été possible, jusqu'à présent, d'obtenir une durée de service et une résistance satisfaisantes pour les enveloppes protectrices destinées à des lances de mesure. 69 39649 2 2023564 Bien que les briques basiques aient une bonne résistance chimique, elles ne résistent pas au brusque changement de température au moment où on plonge la lance dans un bain de métal en fusion d'une température élevée, et elles ne résistent pas à l'important gradient thermique ; de telles briques se 5 fissurent et s'écaillent. Les briques contenant du graphite - qui se caractérisent par une résistance très élevée aux alternances de la température -n'ont pas données non plus de bons résultats car l'acier liquide attaque chimiquement le graphite. Il n'a pas été possible, jusqu'à présent, de conserver l'enveloppe protectrice en bon état pendant plusieurs charges du conver-10 tisseur. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients et les difficultés mentionnés. Elle a pour objet un corps réfractaire creux destiné notamment à protéger une sonde ou une lance comportant un refroidissement à l'intérieur, plongée dans une matière liquide, et servant à la mesure de la 15 température d'une telle matière. Le corps creux selon l'invention se caractérise par une couche intérieure formée par une masse réfractaire non frittée, et par une couche extérieure étanche frittée, formée par le même matériau. La couche extérieure étanche du corps creux selon l'invention résiste aux attaques chimiques et mécaniques du laitier et de l'acier liquides jusqu'à 20 une température de 1 700°C et même au-delà de cette température. La couche intérieure, qui n'est pas frittée et qui porte la couche extérieure, peut se déformer, donc s'adapter aus contraintes thermiques provoquées par les alternances de la température. Cette possibilité de déformation évite la formation de fissures. En utilisant le corps creux selon l'invention, on peut obtenir 25 une durée de service de la lance qui couvre plusieurs charges d'affinage, par exemple 10 charges et davantage. Il y a lieu de respecter un rapport déterminé entre l'épaisseur de la couche extérieure frittée, et l'épaisseur de la couche intérieure. Cette dernière doit être notablement plus épaisse que la couche extérieure, dans tous les cas. L'épaisseur de la couche extérieure frittée 30 correspond de préférence à un 69 39649 3 2023564 L'invention concerne en outre un procédé pour la fabrication du corps réfractaire creux qui vient d'être décrit. Ce procédé consiste à former tin corps moulé cylindrique en utilisant un matériau réfractaire auquel on ajoute de l'eau, et que l'on condense par vibration, à sécher le corps moulé, 5 et à rendre sa couche extérieure étanche par une cuisson à une température dépassant la température de frittage, tout en refroidissant l'intérieur du corps par un réfrigérant. Le séchage du corps moulé s'effectue avantageusement en deux phases, à savoir par un séchage à l'air à la température ambiante, suivi par un séchage à une température plus élevée, de l'ordre de 200 à 650°C, 10 de préférence comprise entre 400 et 450°C. On peut introduire des éléments d'armature dans le corps creux pendant son moulage, par exemple des barres, des fils ou des treillis. La grosseur des grains du matériau utilisé pour le moulage du corps creux est également importante. Le matériau réfractaire doit comporter entre 15 25 et 35 % de grains dont la grosseur ne dépasse pas 0,10 mm, et une partie comprise entre 30 et 40 % dont la grosseur des grains varie entre 2,5 et 5 mm. - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront , plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre 20 d'exemple non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale verticale du corps réfractaire creux selon l'invention, recevant les éléments de mesure d'une lance "servant à la mesure de la température, - la figure 2 est une coupe longitudinale verticale d'un disposi-25 tif pour la fabrication du corps creux selon l'invention. Le corps creux 1 présente un trou central dont le diamètre est plus important dans le tiers supérieur, recevant la tête de la sonde 11, par rapport au diamètre du reste du trou. La sonde se compose de trois tubes concentriques 7,8 et 9 dont le premier, c'est-à-dire le tube intérieur 7, reçoit 30 les -Conducteurs de compensation - disposés dans un tube 10 - reliant les deux fils du thermocouple, se trouvant dans la partie de mesure du dispositif, aux appareils de mesure extérieurs. Le tube 8 se termine à une certaine distance au-dessus de la tête de la sonde. Ce tube fait partie d'un système de circulation d'un réfrigérant. La partie de mesure, désignée dans son ensemble par 12, 35 peut être reliée à la tête de la sonde. Elle se compose du tube protecteur 13 recevant le thermocouple 14 avec sa soudure chaude 15, et du corps creux 1 selon l'invention, qui entoure le tube protecteur. Le corps creux se trouve 69 39649 4 2023564 au niveau de la couche de laitier 3 flottant sur le métal liquide 2 lorsque la lance est introduite dans le bain. Comme on le sait, les sollicitations les plus importantes se produisent dans la zone de cette couche de laitier. La pointe 4 de la partie de mesure, contenant la soudure chaude, fait sail-5 lie à la face transversale inférieure du corps creux 1. Comme le montre le dessin, le corps creux 1 se compose d'une couche intérieure 5 formée par un matériau granuleux réfractaire non fritte, et d'une couche extérieure étanche frittée 6 formée par le même matériau. Comme matériau réfractaire, on peut utiliser un matériau basique condensable ayant, de 10 préférence, la composition suivante : 4,0 - 6,0 % Fe203 83 - 88 % MgO 2 - 3 % CaO 15 0,4 - 0,6 % Si02 3,5 - 3,7%A1203 environ - 1,20 % perte par cuisson, dont la distribution granulométrique est la suivante : 20 inférieur à 0,05 mm 20,88 % 0,05 - . 0,10 înm 7,90 7o 0,10 - 0,20 mm 3,92 % 0,20 - 0,50 TTTTT1 6,40 % 0,50 - 1,00 mm 10,78 % 25 1,00 - 2,50 tnm • 13,34 % 2,50 - 5,00 TUTTI 36,26 % supérieur à 5,00 mm 0,52 % La densité d'un tel matériau est, par exemple, de 1,85. La fabrication du corps creux selon l'invention s'effectue de la 30 façon suivante : On ajoute entre 5 et 7 % en poids d'eau au matériau, et on l'introduit sous une légère vibration dans un moule où on le condense d'avantage par des vibrations plus fortes. Il est possible d'introduire une armature en fils d'acier dans le moule avant l'introduction du matériau réfractaire. On sèche 35 le corps creux tout d'abord à la température ambiante pendant 24 h, le corps restant dans le moule, puis on effectue un préséchage à l'extérieur de celui-ci pendant 48 h. On parfait le séchage à une température d'environ 450°C pendant environ 48 h, pendant lequel le corps creux est suspendu dans le moufle 69 39649 5 2023564 d'un four. Le corps creux présente les caractéristiques suivantes après ces divers séchages : Densité du matériau Densité globale Porosité totale Porosité ouverte en moyenne n n 2,848 3,320 14,22 11*02 La formation de la couelie extérieure étanche frittée sreffectue 10 par une cuisson du corps creux à une température d'environ 1 600QC pendant 2 h approximativement. On peut utiliser à cet effet le dispositif représenté à la figure 2. On suspend le corps creux prêséché 1 à un support 16 refroidi par l'eau, dont la forme correspond aux contours intérieurs du corps creux, puis on introduit l'ensemble dans le moufle - 17 d'un four 18. Le moufles porte 15 un couvercle 19. Lesfëlèches à la figure 2 indiquent l'entrée et la sortie de l'eau. Pendant le frittage de la couche extérieure, on effectue un refroidissement continu de l'intérieur du corps creux. Comme réfrigérant, on peut également utiliser de l'air, à la place de l'eau. Lrépaisseur de paroi totale d'un corps creux fabriqué conformément à lrinvention peut être, par 20 exemple, de 60 mm, l'épaisseur de la couche extérieure frittée étant alors de 10 mm environ. Des corps creux selon l'invention ont donné:, d'excellents résultats dans la pratique. La demanderesse a pu obtenir sans difficultés des durées de service couvrant plus de dix charges dans un convertisseur avec soufflage 25 . par le haut, la lance de mesure étant plongée dans le bain pendant toute la durée du soufflage, et étant refroidie à l'air pendant les interruptions dans le soufflage. Une telle utilisation correspond aux conditions les plus sévères qui peuvent se présenter dans une usine sidérurgique. On peut obtenir des durées de service nettement plus longues, couvrant par exemple plus de 30 vingt charges,en introduisant la lance de mesure pendant les interruptions dans le soufflage, dans un four ayant une température d'environ I OOO^C, au lieu d'exposer la lance au refroidissement à l'air libre. 69 39649 6 2023564 REVENDICATIONS 1 - Corps réfractaire creux, destiné notamment à protéger une 5 sonde ou une lance refroidie à l'intérieur et plongée dans une matière en fusion, par exemple une lance servant à la mesure de la température, caractérisé en ce que le corps creux se compose d'une couche intérieure non frittée formée par un matériau réfractaire, et d'une couche extérieure frittée étanche formée du tfiême matériau. 10 2 - Corps creux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau réfractaire contient une partie fine comprise entre 25 et 35 % et ayant des grains d'une grosseur inférieure ou égale à 0,10 mm, et une partie plus grossière, comprise entre 30 et 40 % dont les grains ont une grosseur comprise entre 2,5 et 5 mm. 15 3 - Corps creux selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, t • caractérisé en ce que l'épaisseur de la coyche extérieure frittée correspond au maximum à un quart de l'épaisseur de la paroi de l'ensemble du corps creux, l'épaisseur de la couche extérieure étant de préférence comprise entre l/6ème et l/10ème de l'épaisseur totale. 20 4 - Corps creux selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé fen ce que la porosité totale du corps creux varie entre 15 et 20 %. 5 - Procédé pour la fabrication d'un corps creux selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes : - on ajoute de l'eau à un matériau granuleux réfractaire, et on l'in-25 troduit en le condensant par une vibration dans un moule cylindrique, - on sèche le corps moulé, puis on le soumet à une cuisson sous une température supérieure à la température de frittage de façon à rendre la couche extérieure du corps étanche, - pendant cette cuisson, on refroidit l'intérieur du corps creux par 30 un réfrigérant. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le séchage du corps moulé s'effectue en deux phases, à savoir par un séchage à l'air sous la température ambiante, suivi par un séchage à une température plus élevée^ comprise entre 200 et 650°C, de préférence entre 400 et 450°C, 35 7 - Procédé selon la. revendication 5, caractérisé en ce que l'on introduit des barres ou des treillis d'armature, dans le corps creux pendant le moulage. 69 39649 7 2023564 8 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 5, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend un support du corps moulé, contenant un dispositif de refroidissement de la paroi intérieure de ce dernier, l'ensemble pouvant être placé dans le moufle d'un four.