Brevet FR2081662A1 — publié le 19711210

i 2081662 La présente invention concerne un récupérateur ou régénérateur de chaleur, en particulier un eowper pour une installation de haut fourneau, comprenant une structure verticale en maçonnerie fermée à son sommet par un dôme en briques réfrac-5 taires. En particulier, dans la technique des hauts fourneaux, il existe un besoin croissant en réchauffeurs d'air, que l'on appelle des cowpers, répondant à des exigences de fonctionnement élevées. Du fait que de nos jours les hauts fourneaux ont 10 des dimensions et une capacité qui vont en s'accroissant et doivent produire de la fonte brute avec un rendement plus élevé, les cowpers destinés à ces hauts fourneaux doivent fournir des quantités toujours croissantes d'air à des températures plus élevées. Il en résulte que les dômes en briques réfractaires de ces cowpers 15 doivent également avoir des dimensions plus grandes et que ces . dômes et la structure qui raccorde ces derniers au reste âv. eowper doivent pouvoir supporter des températures plus élevées. A ce sujet, on peut remarquer que les dômes doivent être capables de résister à des températures atteignant lbOC°C 20 environ pendant le fonctionnement et qu'ils doivent également être à même de supporter des variations de température considérables dans des intervalles de temps brefs lors du chauffage et du refroidissement. On s'est aperçu que leb dilatations du dôme, qui 25 sont importantes et réparties de façon non uniforme, sont la cause de difficultés considérables, particulièrement dans la zone où le dôme se raccorde au restant de la structure. Les différences de dimension existant entre les bords inférieurs du dôme et le bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie du eowper se 30 trouvant sous le dôme peuvent atteindre environ 1% des dimensions de cette partie du eowper. Ceci entraîne la formation de crevasses ou fissures importantes s'étendant verticalement dans le dôme. Bien qu'en règle générale ces fissures soient déjà connues dans les réchauffeurs d'air de plus petites dimensions, 35 chauffés à des températures plus faibles, elles ne posent pas de problème sérieux dans ces cowpers de plus petite taille. Toutefois, pour des dômes en briques de plus grandes dimensions où la stabilité pose déjà un problème important en l'absence de tels effets, l'apparition de fissures entraîne plus facilement des ré-40 sultats néfastes. 71 07165 2081662 En particulier, si la température du dôme s'élève jusqu'à environ 1600°C, le danger d'un affaissement du dôme deviœt-très grand. Ceci est valable tant pour les dômes :de cowpers de 5 hauts fourneaux comportant une cheminée de brûleur -interne que pour les cowpers comportant une cheminée de brûleur externe-. - Compte tenu de ce qui précède, la présente invention vise à munir de tels eowpers d'une structure de dôme où ces fissures ne peuvent pratiquement pas se produire et, môme si une 10 telle éventualité se produit, n'ont pas d'effets nuisibles. C'est pourquoi 'une structure conforme à la présente invention et telle qu'exposée ei-dessus est caractérisée par le fait que le dôme pénètre dans la structure verticale en maçonnerie qui lui est sous-jacente grâce à une série continue d'éléments raccordés de 15 façon pivotante tant à la structure sous-jacente du eowper, près du bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie qu'au bord inférieur du dôme. Lorsque, dans le présent exposé, on se réfère à. des structures dans lesquelles le dôme pénètre dans la structure 20 verticale en maçonnerie, on entend des structures dans lesquelles ce raccordement n'est pas réalisé par un contact avec le bord supérieur de la maçonnerie verticale du eowper lui-même, sous le dôme, mais par un contact avec un élément annulaire prévu tout autour de ee bord supérieur afin d'assurer un support au dôme non 25 pas sur la structure verticale en maçonnerie située sous le dôme mais à l'extérieur de cette structure. De préférence, conformément à la présente invention, lesdits éléments pivotants ont la forme de colonnes plus ou moins alignées avec la partie adjacente' du dôme correspondant à chaque 30 colonne, les pivots étant formés par des surfaces de support ayant la forme de faces faisant partie de cylindres situées, d'une part, aux extrémités supérieures des colonnes et au bord inférieur du dôme et, d'autre part, au bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie. 35 II convient de remarquer qu'une telle possibilité de déplacement des colonnes par un pivotement à leurs deux extrémités présente des avantages évidents et considérables sur un support du dôme assuré par des Mlles ou des rouleaux disposés au bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie. 40 A ce sujet, on remarquera que de telles colonnes 71 07165 3 2081662 pivotantes peuvent, du fait de leur grande longueur, absorber beaucoup plus facilement que des rouleaux des différences considérables de dilatation. Toutefois, ce qui est encore plus important est que les rouleaux doivent être refroidis localement afin 5 d'éviter leur agglomération avec les structures environnantes des briques par frittage. Par ailleurs, du fait de ce refroidissement des rouleaux,- la partie adjacente du dôme devient trop froide. Ceci entraîne encore l'apparition de fissures importantes dans le dôme par suite de la discontinuité des caractéristi-10 ques de dilatation de la matière réfractaire du dôme dans la plage de température dans laquelle ce dôme doit fonctionner. Du fait que le dôme conforme à la présente invention peut se mouvoir librement par rapport au reste de la structure et du fait également que le dôme peut être porté à une température 15 sensiblement constante, il est ainsi possible de réaliser ce dôme entièrement avec des briques au silicium. Dans d'autres structures, il s'est avéré que les différences de température considérables et inévitables auxquelles est soumis le dôme ne permettent pas de choisir cette matière qui, 20 pour d'autres raisons, est pourtant préférable. Ceci est dû au fait qu'il se produit dans les briques au silicium des dilatations d'origine thermique soudaines et considérablement importantes au moment du passage de la "température par leur température de recristallisation. 25 II-s'est avéré possible de soumettre les colonnes à la même température que le dôme sans que cela entraîne un endom-magement quelconque. Même si ceci se traduit par une légère agglomération aux liaisons pivotantes, cette agglomération cède facilement dans la pratique sans nuire à la structure. Ceci est dû 30 au moment de flexion qui est exercé sur les pivots et qui, du fait des bras de levier importants de tels moments, est beaucoup plus grand que le moment de flexion qui se produirait dans les rouleaux indiqués ci-dessus. On remarquera qu'en général dans les structures en 35 matière réfractaire "et en particulier dans des cowpers, on a généralement tendance à diminuer les contraintes thermiques en utilisant une structure plus massive et plus rigide. Les nombreuses incertitudes qui existent dans les structures réfractaires mécaniquement très chargées, particulièrement pendant les périodes 40 de chauffage et de refroidissement, expliquent ]e fait que les ex 71 07165 4 2081662 perts en la matière ne tentent habituellement pas de réaliser des structures moins massives et moins rigides disposant d'une plus grande liberté de déplacement. De ce"fait, la structure conforme à la présente invention et utilisée avec un dôme sup-5 porté sur l'ensemble de sa circonférence au moyen de plusieurs pivots est une structure qui n'est absolument pas familière aux experts en la matière, qui est techniquement d'une nature révolutionnaire et dont les effets sont extrêmement surprenants. Pour réduire à un minimum toute liberté"de mobilité 10 que le dôme présente vis-à-vis du reste de la structure et autre que celle nécessaire pour absorber les différences de dilatation thermique, il est préférable, conformément à la présente invention, de donner aux colonnes, dans la direction de leur alignement en rangée ou en série (c'est-à-dire dans la direction péri-15 phérique du eowper), une dimension qui, pour chacune d'elles, est une à deux fois plus importante que la dimension des colonnes dans la direction de leur épaisseur (c'est-à-dire dans le sens radial du eowper). Ainsi, chaque colonne ne peut tourner sensiblement qu'autour d'un seul axe et ses possibilités de dé-20 placement se trouvent ainsi limitées par le fait que"toutes les autres colonnes peuvent pivoter autour d'axes ayant des directions différentes. Ceci a pour effet d'éviter que le dôme se déplace autour de son propre axe. Il est connu en soi, par exemple en ce qui concerne 25 des ponts en acier, d'utiliser des colonnes ou piliers pivotants très.courts à l'endroit des supports de ces ponts. Toutefois, de tels supports ne servent qu'à absorber les déplacements dans une seule direction et encore s'agit-il de déplacements de dimensions beaucoup plus faibles. Par ailleurs, de tels colonnes ou piliers 30 dans ce cas et en règle générale, font partie des rouleaux, de sorte que la possibilité de déplacement ne consiste en fait qu'en un roulement et, non pas en un pivotement. Comme autre différence par rapport à cette structure connue, il est préférable, selon l'invention, de munir les pivots 35 aux deux extrémités des colonnes de surfaces supérieures convexes qui coopèrent avec des surfaces inférieures concaves. Bien que cette structure ne soit pas très classique, elle présente l'avantage que les colonnes, qui sont relativement longues par rapport aux dimensions des pivots, risquent moins de 40 pivoter hors de l'espace compris entre le dôme et le reste de la 71 07165 5 2081662 structure. Pour que le déplacement des colonnes puisse être mieux prévu, mais également pour d'autres raisons de nature importante dans la construction des hauts fourneaux, il convient 5 de prendre soin que les colonnes, à leurs extrémités inférieures, ne puissent se déplacer qu'aussi faiblement que possible dans une direction radiale vers l'extérieur et vers l'intérieur. Ceci évite également que les espaces ou fentes compris entre les colonnes deviennent trop larges. 10 On peut obtenir ce résultat, conformément à la pré sente invention, si l'extrémité supérieure de la structure verticale en maçonnerie sous-jacente au dôme comporte, au moins en partie, des joints de dilatation s'étendant verticalement, ladite extrémité supérieure étant supportée par des dispositifs 15 qui n'altèrent sensiblement pas sa forme en présence de variations considérables de température de la structure verticale en maçonnerie. De tels dispositifs pourraient, par exemple, se présenter sous la forme d'un élément annulaire placé autour du bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie, un tel 20 élément annulaire étant connu en soi, le dome se raccordant audit élément annulaire par l'intermédiaire des colonnes. Le dispositif servant à supporter l'extrémité supérieure précitée est constitué, en règle générale,' par une structure classique en acier disposée en une région où la température est en permanence 25 suffisamment faible. On a déjà remarqué que la structure conforme à la présente invention peut être appliquée aux réehauffeurs d'air, par exemple des cowpers, comportant une cheminée de brûleur tant intérieure qu'extérieure. Lorsque l'on applique la présente in-30 vention à une structure comportant une cheminée de brûleur intérieure, il s'avère avantageux, lors du choix de la forme du dome, de tenir compte de la façon dont est supporté ce dome, cela conformément à la présente invention. A ce sujet, on a constaté que dans une nouvelle 35 structure de ce genre par l'intermédiaire de laquelle la paroi latérale du four se raccorde au dome d'un eowper comportant un corps principal cylindrique et une cheminée de brûleur Intérieure, il est préférable que ce dome ait la forme d'un segment sphérique qui, suivant une coupe faite le long d'un méridien, couvre un arc 40 de cercle de 100° à 110°, ce segment sphérique se raccordant à 71 07165 6 2081662 une surface de révolution qui, suivant une coupe faite le long d'un méridien, est constituée par deux arcs de cercle (à raison d'un sur chaque coté) qui ont un rayon trois à quatre fois plus long que le rayon du segment sphérique. 5 On va maintenant décrire de façon plus détaillée la présente invention en se référant au dessin annexé représentant un seul mode de réalisation préféré de l'invention et sur lequel: la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un eowper conforme à la présente invention ; 10 la figure 2 représente le détail II de la figure 1 à une échelle plus grande ; la figure 3 représente le détailHI de la figure 1 à une échelle plus grande ; la figure 4 représente le même détail II de la fi-15 gure 1 mais relatif à un mode de réalisation différent. Sur la figure 1, la référence 1 désigne la paroi verticale cylindrique en briques réfractaires d'un eowper. Ce eowper, tel que représenté, comporte une cheminée de brûleur intérieure 2 qui est séparée de l'espace 4 par une cloison 3. 20 Dans l'espace 4 se trouve un empilage de briques réfractaires destiné à absorber la chaleur en provenance des gaz chauds et de céder cette chaleur à l'air à réchauffer et une telle pile de briques n'a pas été représentée mais est tout à fait courante et connue en soi. 25 A son extrémité supérieure, la structure est fer mée par un dome 5j en matière réfractaire, symétrique par rapport à un axe central vertical. Autour de cette structure se trouve, comme il est courant, une chemise en acier qui n'a pas été représentée. 30 Un conduit 6, d'alimentation en air, et un conduit 7, d'alimentation en combustible, débouchent dans un brûleur 8 comme il est courant. Une grille 9 supporte ledit empilage de briques dans l'espace 4. Une ouverture 10 est ménagée sous cette grille pour permettre aux gaz de s'échapper quand ils ont cédé 35 leurs calories à l'empilage de briques et pour permettre à l'air froid de pénétrer dans le eowper afin d'être réchauffé. Une ouverture 11 ménagée dans la paroi I de la cheminée du brûleur permet à l'air réchauffé de quitter le réchauffeur. Le dome est constitué par une partie 12 ayant la 40 forme d'un segment sphérique se raccordant à la partie de dome 71 07165 7 2081662 13 qui fait partie d'une surface de révolution. Le rayon de la partie sphérique 12 représente environ 35$ du diamètre de la paroi extérieure 1 et, suivant une coupe faite le long d'un méridien, couvre un arc de 104°. La partie de dôme 13 se raccorde 5 sans transition brusque à la partie 12 et, vue en coupe selon un méridien, cette partie 13 a un rayon qui est égal à environ 3,7 fois le rayon du segment 12. La zone de transition entre la partie de dôme 12 et la partie de dôme 13 a été représentée par des traits interrompus sur les figures 1 et 2. 10 A l'aide des colonnes 14, le dôme 5 est supporté de façon pivotante sur la paroi extérieure 1. Toutefois, il est également possible de faire supporter le dôme par un élément annulaire (non représenté) qui est raccordé à la chemise en acier environnante sur la périphérie extérieure du bord supé-15 rieur de la paroi extérieure 1, par exemple d'une façon connue en soi. Sur les figures 2 et 3, ce support a été représenté de façon plus détaillée, la figure 2 montrant le support suivant une coupe verticale du détail II de la figure 1 et suivant 20 II-II de la figure 3. La figure 3 montre le détail III de la figure 1 vu de l'intérieur, radialement vers l'extérieur. Le bord inférieur de la partie de dôme 13 est arrondi et présente une forme semi-circulaire. Le demi-cylindre 25 ainsi formé s'ajuste dans des concavités semi-cylindriques ménagées dans les extrémités supérieures des colonnes 14. Pour obtenir ces parties rectilignes, il est possible de faire en sorte que les briques se trouvant dans la portion inférieure de la partie de dôme 13 épousent une configuration telle que ce 30 bord inférieur ne soit constitué seulement que par un certain nombre de parties rectilignes. D'une façon similaire, les bords inférieurs arrondis semi-circulairement des colonnes 14 s'ajustent dans des concavités semi-cylindriques ménagées dans le bord supérieur de 35 la paroi verticale 1 en briques du eowper. La partie supérieure de la structure verticale en maçonnerie de la paroi 1 comporte des joints de dilatation verticaux 17 qui se ferment totalement, ou au moins partiellement, lorsque le eowper atteint la température opératoire et servent à 40 éviter que des contraintes de compression élevées ne se manifes 71 07165 8 2081662 tent dans les briques et que des contraintes de tension élevées n'apparaissent dans la garniture extérieure en acier lorsque le eowper se trouve à la température opératoire. . Les colonnes 14 ont la même épaisseur que la partie 5 de dôme 13* par exemple un peu plus de 30 cm. La largeur des colonnes 14 est, de préférence, d'environ 60 cm. Sur la figure 4, on a représenté le détail II de la figure 1, mais ce détail se rapporte à un mode de réalisation dif -10 férent dans lequel le dome n'est pas supporté directement par la maçonnerie verticale du eowper. Une enveloppe en acier 18 entoure cette maçonnerie et se transforme vers le haut en une partieannu-laire 23 qui s'évase vers l'extérieur et se raccorde elle-même vers le haut à la structure extérieure en acier du dome. La par-15 tie annulaire 23 est supportée par une rangée de supports ou consoles en acier 24 disposée sur la périphérie extérieure du eowper. La maçonnerie verticale du eowper, dans la partie supérieure, est représentée ici sous la forme de trois couches 19, 20 et 21 comportant des joints de dilatation verticaux 17 se 20 trouvant dans des plans passant par l'axe du récupérateur ou régénérateur et similaires à ceux des figures 2 et 3. La partie annulaire 23 avec les supports 24 se trouve dans une région relativement froide, de sorte qu'elle ne se dilate pas de façon considérable lorsque le eowper est chauffé. De 25 ce fait également, le diamètre de la maçonnerie verticale 19, 20 et 21 reste sensiblement inchangé. La dilatation de cette maçonnerie par le chauffage se trouve ainsi presque entièrement absorbée par les joints 17 dont les dimensions sont prévues pour qu'ils se ferment entièrement lorsque les conditions opératoires cor-30 respondant à la température la plus élevée sont atteintes. La partie annulaire 23 supporte des blocs pivotants 25 dans lesquels les colonnes 26 s'ajustent de manière à pivoter. Ces colonnes en matière réfractaire ont essentiellement la même forme et sont constituées par le même type de matière que les 35 colonnes 14 du mode de réalisation précédent. Elles supportent le dome par une liaison pivotante avec le bord inférieur du dôme intérieur 27 en briques réfractaires. A l'extérieur de ce dôme 27 se trouve une seconde couche de briques réfractsire's 28 en contact avec la garniture extérieure en acier du dôme. 40 La paroi verticale en maçonnerie pourrait s'évaser- 71 07165 9 2081662 vers l'extérieur de façon à recouvrir la partie annulaire 23 et, dans ce cas, les "blocs pivotants 25 seraient placés au sommet de cette partie de la paroi verticale en maçonnerie du régénérateur. 5 Un grand nombre de détails du régénérateur qui ne sont pas importants pour la bonne compréhension de lrinvention n'ont pas été représentés et décrits. Ainsi, il va de soi qu'un dôme en acier est placé sur le dôme en briques réfractaires 5 et qu'une couche calorifuge poreuse et quelque peu élastique est dis-10 posée entre ces dômes comme il est courant dans la pratique. Ces détails seront évidents aux techniciens en la matière. 71 07165 10 2081662 REVENDICATIONS 1. Récupérateur de chaleur, en particulier un eowper pour une installation de hauts fourneaux, comprenant une structure "verticale en maçonnerie et fermé à son sommet par un dôme en bri- 5 ques réfractaires, ce récupérateur de chaleur étant caractérisé par le fait que le dôme se raccorde, à sa partie inférieure, à la - structure verticale en maçonnerie sous-jacente au moyen dlune série continue d'éléments qui sont assemblés de façon pivotante à la fois aux structures sous-j-ac entes du eowper situées près du 10 bord supérieur de la structure verticale en maçonnerie, et au bord inférieur du dome. 2. Récupérateur de chaleur suivant la revendication I,. caractérisé par le fait que les éléments pivotants précités ont la forme de colonnes plus ou moins alignées avec la partie 15 adjacente du dôme correspondant à chaque colonne, les pivots étant formés par des surfaces de support ayant la forme de faces faisant partie de cylindres circulaires, d'une part aux extrémités supérieures des colonnes et au bord inférieur du dôme et, d'autre part, au bord supérieur de la structure verticale en ma- 20 çonnerie ou autre structure se trouvant sous ces colonnes. 3. Récupérateur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les colonnes, dans la direction et leur alignement mutuel en rangée ou en série (c'est-à-dire dans la direction périphérique du eowper), ont une dimension qui, 25 pour chacune d'elles, est de deux à trois fois plus grande que la dimension des colonnes dans le sens de leur épaisseur (à peu près dans le sens radial du eowper). 4. Récupérateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les pivots 30 se trouvant aux deux extrémités des colonnes comportent des surfaces supérieures convexes coopérant avec des surfaces inférieures concaves. 5. Récupérateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que 35 l'extrémité supérieure de la structure verticale en maçonnerie se trouvant sous le dôme comporte, au moins en partie, des joints de dilatation s'étendant verticalement, ladite extrémité supérieure étant supportée par des dispositifs qui ne modifient sensiblement pas la forme de ladite extrémité supérieure lors des varia- 40 tions considérables de température de la structure verticale en 71 0716 S ii 2081662 maçonnerie. 6. Récupérateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se présentant sous la forme d'un eowper cylindrique comportant une section droite circulaire et 5 une cheminée de brûleur intérieure, caractérisé par le fait que la partie supérieure du dôme a la forme d'un segment sphérique qui, vu en coupe faite le long d'un méridien, couvre un arc compris entre 100 et 110°, ce segment sphérique se raccordant à une surface de révolution qui, vue en coupe faite suivant un mé-10 ridien, est constituée par deux arcs circulaires (à raison d'un sur chaque côté) qui ont un rayon trais à quatre fois plus grand que le rayon du segment sphérique.