Brevet FR2133978A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne un procédé pour boucher les trous de coulée de fours métallurgiques, en particulier de hauts fourneaux. Il est connu, dans un tel procédé, de remplir le trou de coulée du haut fourneau avec une masse argileuse après la coulée. Ce bouchage a pour but 5 d'isoler l'intérieur du creuset par rapport à l'atmosphère, de sorte qu'une nouvelle quantité de fonte brute peut s'accumuler dans le creuset du haut fourneau. Cette production de fonte brute peut s'effectuer sous une surpression de plusieurs atmosphères à l'intérieur du creuset, ce qui permet d'augmenter considérablement le rendement du haut fourneau, 10 Lors de l'obturation du trou de coulée, la masse de bouchage est introduite dans le trou au moyen d'une machine à boucher qui protège la masse contre la surpression à l'intérieur du creuset jusqu'à ce qu'elle adhère suffisamment à la paroi dû trou de coulée et soit agglomérée ou frittée complètement. Un nouveau trou est percé et brûlé dans la masse de bouchage 15 lora de la coulée suivante. Une masse de bouchage utilisée couramment contient envirop 707. de sable dit "collant", environ 10% de charbon gras fin et 20% de produits goudronneux. On connaît également d'autres compositions. Le terme "sable collant" désigne le matériau siliceuxcontenant le plus souvent 7 à 9% d'eau à l'état naturel et ayant des propriétés adhésives. Un tel 20 sable collant contient, par exemple, 85% de Si02S environ 4 à 5% de A^O^j 1 à 1,5% de CaO et de faibles quantités de Na^O, et composés du fer. Une masse de bouchage de bonne qualité doit satisfaire à plusieurs exigences. Par exemple, elle doit se solidifier et adhérer rapidement et de façon solide à la paroi du trou de coulée, afin que le trou bouché 25 ne soit pas percé entre deux coulées sous l'influence de la pression élevée t régnant à l'intérieur du four. Outre les dangers graves qu'une telle percée présente pour le personnel, elle entraîne également une perte de production considérable car la pression du vent du four doit être coupée immédiatement lorsqu'il se 30 produit une percée, si bien que la production de fonte brute est également arrêtée à peu près complètement. Lorsque la masse de bouchage durcit rapidement, la machine à boucher peut être retirée plus rapidement, ce qui prolonge le temps disponible pour la remise en état de l'équipement de coulée. Il est souhaitable 35 d'attendre le durcissement à coeur de la masse de bouchage avant de retirer la machine à boucher, mais ce durcissement complet doit dans tous les cas avoir eu lieu au moment du perçage d'un nouveau trou de coulée, sinon la masse non durcie serait emportée par le courant de fonte. 72 14043 2 2133978 De plus, la masse de bouchage durcie ne doit pas être érodée et/ou corrodée trop rapidement par le courant de fonte ou de laitier pendant la coulée. Une érosion ou une corrosion trop rapide de la masse de bouchage provoquerait un débit trop irrégulier du four pendant la coulée, 5 ce qui a un effet nuisible sur la capacité de production. L'usure trop rapide du trou de coulée peut même provoquer la rupture de la paroi du trou ou l'entraînement de coke, ce qui empêche toute régulation du courant de fonte. D'un autre côté, l'érosion et la corrosion du trou de coulée ne doivent pas non plus être trop faibles. Au fur et à mesure que 10 le niveau de la fonte dans le creuset diminue pendant la coulée, la pression statique décroît également. Pour maintenir le débit de la fonte plus ou moins constant, la résistance que le trou de coulée oppose à l'écoulement de la fonte doit décroître progressivement, au fur et à mesure que cette pression statique diminue. Une certaine érosion, plus ou moins régulée, du trou de 15 coulée est par conséquent souhaitable, surtout dans sa zone d'entrée. Un courant de fonte trop violent peut également entraîner a l'usure excessive d'autres éléments guidant le courant de fonte, par exemple de l'élément d'écoulement incliné, de la rigole et de la dame de laitier. Il s'est avéré que les masses de bouchage utilisées jusqu'à 20 présent posent des difficultés dans les grands hauts fourneaux modernes d'une^ importante capacité de production et dans lesquels les pressions de pointe sont élevées. Il est aisément compréhensible que l'usure accrue, pendant la coulée, du trou de coulée, de l'élément d'écoulement incliné et de la rigole, par suite des plus grandes masses de fonte brute sortant du creuset par 25 unité de temps, sont pour une large part dans ces difficultés. Les plus fortes pressions utilisées de plus en plus fréquemment à l'intérieur des fours augmentent en outre la difficulté de réaliser une fermeture suffisamment solide au moyen de la masse de bouchage. Un autre inconvénient de la masse de bouchage à forte 30 teneur en eau décrite ci-dessus - et pouvant être considérée comme étant bien connue- provient de ce que cette masse devient trop épaisse à des températures voisines ou inférieures au point de congélation, ce qui rend difficile son introduction dans le trou de coulée. Le principal inconvénient des masses de bouchage à forte 35 teneur en eau provient cependant du risque que présente la présence d'eau à proximité d'un garnissage en carbone du four. Ces derniers temps, des garnissages en carbone sont appliqués de plus en plus. 72 14043 3 2133978 L'invention crée une masse qui, lorsqu'elle est utilisée comme masse de bouchage, permet d'obtenir des résultats très satisfaisants et élimine la majeure partie des inconvénients cités ci-dessus des masses de bouchage connues. 5 Une masse de bouchage selon l'invention est un mélange de 60 à 80% d'un matériau granuleux réfractaire de haute qualité qui résiste à l'érosion et la corrosion, de 12 à 18% de liant, principalement à base de goudron, et de 4 à 12% d'argile agglutinante. Dans la présente description, le terme "argile agglutinante" désigne le matériau décrit dans le livre 10 "Feuerfestkunde" de Harders-Kienov, édition 1960, page 351. Ce matériau a une structure feuilletée et contient une faible quantité d'eau, l)ne argile agglutinante bien connue est, par exemple, la bentonite. La masse de bouchage suivant l'invention est dotée d'une combinaison de plusieurs avantages par rapport à des masses de bouchage bien 15 connues. Bar exemple, il semble qu'après le bouchage, la masse suivant l'invention acquiert rapidement une forte cohésion, ce qui est partiellement dû à la formation d'une matrice de carbone entre les grains du matériau réfractaire par suite de la décomposition du goudron, et ce qui est également dû à une agglomération directe de ces grains par frittage. 20 Après peu de temps, la masse de bouchage suivant l'invention est devenue si dure et si réfractaire que le courant de fonte ne risque pas d'emporter le matériau du trou de coulée lors de la coulée suivante. En outre, comme le liant aussi bien que la masse réfractaire sont exempts d'eau, tandis que l'argile agglutinante n'introduit qu'une quantité d'eau relativement 25 faible dans la masse, on obtient une pâte pouvant être pétrie convenablement, même à des températures voisines ou inférieures au point de congélation. En combinaison avec du goudron, un sable collant ou une autre masse contenant de l'eau pourrait occasionner des difficultés lors du mélange en raison du fait que le goudron ne peut pas être mouillé par l'eau. La demanderesse a 30 constaté avec surprise que le mélange de l'argile agglutinante avec le-goudron ne présente aucune difficulté. Le liant a pour fonction - outre celle qui consiste à rendre la pâte collante et facilement pétrissable - d'agir comme un agent de liaison dans la pâte avant le frittage du composant réfractaire. Cet agent 35 de liaison est constitué par une matrice de carbone formée par la carbonisation des fractions de goudron les plus lourdes dans le liant. Ceiui-ci doit en outre contenir suffisamment de fractions légères de goudron afin que la 72 14043 4 2133978 masse de bouchage reste suffisamment pétrissable ou malaxable. Il est à noter que la matrice de carbone formée à partir du goudron a en outre la fonction de diminuer le contact entre le fer et le laitier déchargés d'une part, et le matériau formant la paroi du trou de coulée. Il est en effet bien connu 5 que le carbone ne se laisse pas mouiller par du fer et du laitier liquide. L'argile agglutinante contenue dans la masse de bouchage a plusieurs fonctions. L'une de «es fonctions importantes est d'assurer que le goudron reste convenablement mélangé avec les autres composants de la masse de bouchage. Généralement, celle—ci reste en effet pendant une durée 10 considérable dans la machine à boucher avant qu'elle soit utilisée. A ce moment, la température de la masse de bouchage contenue dans la machine peut monter et présenter localement des différences importantes. Dans un cas particulier, la demanderesse a constaté des températures de 58 et 95°C dans la masse de bouchage juste avant son utilisation. Sans la présence de 15 l'argile agglutinante dans la masse de bouchage, le goudron se sépare et s'écoule hors de la machine à boucher. Une autre fonction de l'argile agglutinante est de produire un frittage plus rapide de la masse de bouchage dans le trou de coulée. La figure 1 représente (courbe a) la résistance à la compression d'une masse 20 de bouchage suivant l'invention en fonction de la température. Pour tracer la courbe, la masse de bouchage est maintenue chaque fois pendant 2 heures à une température déterminée avant que sa résistance à la compression à cette température ne soit mesurée. La courbe b indique les résultats d'un essai analogue effectué sur une masse de bouchage 25 ayant la infime composition, sauf qu'elle ne contient pas d'argile agglutinante. Il ressort clairement du diagramme de la figure 1 que, grâce à l'addition de l'argile agglutinante, la masse de bouchage suivant l'invention (courbe a) présente une plus grande résistance à la compression aux basses températures. Bien que la masse de bouchage pour l'essai décrit ci-dessus contienne 10% 30 d'argile agglutinante, des améliorations semblables de la résistance à la compression peuvent fitre obtenues par l'addition d'autres quantités d'argile agglutinante et par le choix d'autres composants réfractaires et d'autres liants, sans sortir du cadre de l'invention. Il est à noter que, pendant les essais cités ci-dessus, on détermine la résistance à la compression 35 conformément au procédé décrit dans la norme DIN 51.067 de la République Fédérale Allemande. 72 14043 5 2133978 Une caractéristique importante de la masse de bouchage est le coefficient dit "de travaillabilité". Ce coefficient est une mesure de l'aptitude de la masse à transmettre une force de cisaillement après qu'une certaine déformation par cisaillement a eu lieu. Cette caractéristique 5 est notamment déterminante pour le pouvoir de retenue de la masse de bouchage sur la paroi du trou de coulée. Cette caractéristique est déterminée de la façon suivante : on introduit une masse dont on désire connaître le coefficient de travaillabilité dans un récipient d'essai au moyen d'une spatule. Le récipient doit Être rempli exactement jusqu'au bord et le remplissage doit 10 être effectué de manière qu'il ne subsiste pas d'espace vide à l'intérieur. Le récipient d'essai est un cylindre métallique d'une hauteur de 5 cm et d'un diamètre intérieur de 10,7 cm. Dans ce cylindre peut être introduit un disque ayant une épaisseur de 1,7 cm et un diamètre de 8,8 cm. Ce disque est centré par rapport au récipient d'essai au moyen d'une mince 15 bague d'acier. On monte le récipient d'essai et le disque sur un banc à comprimer. On presse ensuite le disque dans la masse contenue dans le récipient, jusqu'à ce que sa surface extérieure se.trouve exactement au même niveau que le bord du récipient d'essai, puis on enlève la partie de la masse qui a été pressée hors du récipient. 20 On enfonce ensuite le disque dans la masse contenue dans le récipient à une vitesse telle que la contre-pression augmente à raison 2 d'environ 20 kg/cm par seconde. La température est maintenue aussi constante que possible, à une valeur d'environ 24°C. Pendant l'augmentation de la pression, on mesure le déplacement du disque. Lorsque ce déplacement atteint 1 cm, 25 on relève la résistance à la compression en kg. Cette résistance à la compres-sion correspond au coefficient de travaillabilité recherché. La demanderesse a trouvé que la masse est trop malléable pour qu'elle se durcisse rapidement lorsque le coefficient de travaillabilité est inférieur à 100 kg. Lorsque ce coefficient est au contraire supérieur à 30 500 kg, la masse ne peut pas être travaillée ou déformée convenablement, ce qui peut se produire après un stockage dans une atmosphère froide. Grâce à la présence de l'argile agglutinante, le mélange formant la masse de bouchage conserve le coefficient de travaillabilité initial pendant une durée considérable. Dans un essai effectué avec une masse 35 de bouchage suivant l'invention, contenant 10% d'argile agglutinante, le mélange a été ajusté de manière à obtenir un coefficient de travaillabilité de 500 kg. Après une période de repos de 4 heures, ce coefficient était 72 14043 6 2133978 seulement monté à 510 kg. Même après une période de repcs de 50heures, le coefficient de travaillabilité n'était que de 585 kg, ce qui permet encore une utilisation convenable de cette masse de bouchage. Il sera évident aux spécialistes qu'une aussi grande 5 constance de la qualité d'une masse de bouchage à base de goudron est très inhabituelle et surprenante. Suivant l'invention, on obtient des résultats satisfaisants si la masse de bouchage contient 12 à 18% de liant, comprenant 65 à 75% de brai à électrodes, et 9 à 11% d'une résine et a une viscosité inférieure 10 à 8000 cPo à 20°C. La détermination des éléments du brai est effectuée à 65°C suivant le procédé de détermination de Kramer et Sernov. Les résines C^ sont les produits goudronneux qui sont dissous dans la pyridine mais qui ne sont pas dissous dans le toluène. 15 Un avantage évident du procédé de l'invention est que l'appareil à boucher doit rester beaucoup moins longtemps devant le trou de coulée. Ce retrait plus rapide de la machine à boucher est en partie possible grâce au fait qu'une masse de bouchage suivant l'invention durcit plus rapidement en raison de la meilleure conduction de la chaleur, mais il est prin-20 cïpalement le fait du meilleur pouvoir de retenue de la masse de bouchage sur l'ancienne paroi du trou de coulée. Ce meilleur pouvoir de retenue est en rapport avec le coefficient de travaillabilité plus élevé d'une masse de bouchage suivant l'invention, comparativement aux masses utilisées jusqu'à présent. 25 On obtient les meilleures valeurs pour le coefficient de travaillabilité ainsi déterminé et également les meilleurs résultats avec la masse de bouchage dans la pratique si, suivant l'invention, le composant réfractaire est composé, à raison de 20 à 40%,de fractions granulométriques d'environ 3 et 6 mm, et de grains plus fins pour le reste. 30 La teneur des fractions granulométriques grossières est également déterminée, dans une certaine mesure, par la nature des impuretés contenues dans le composant réfractaire. Ces impuretés ont une influence sur la résistance que présente la masse de bouchage à l'érosion et à la corrosion produites par le courant de laitier liquide. Cette résistance peut 35 cependant être influencée également par le choix de la grosseur de grain du matériau granuleux. La demanderesse a constaté qu'il est possible - par la variation du pourcentage des fractions granulométriques d'environ 3 et 6 ma 72 14043 7 2133978 de compenser presque complètement l'influence des impuretés sur la résistance de la masse de bouchage contre l'érosion et la corrosion produites par le fer ou le laitier. Si la masse de bouchage contient de trop nombreux composants 5 réfractaires d'une trop grande pureté, la masse de bouchage risque de devenir si résistante, après le frittage, que l'ouverture brûlée à l'extrémité du canal formant le trou de coulée devient trop petite et reste trop petite, ce qui a pour conséquence que le débit du fer fondu sortant du creuset est trop faible. Une fois que la fonte a commencé à couler, il n'est plus possible 10 d'élargir l'ouverture d'entrée du trou de coulée de l'extérieur. La demanderesse a trouvé que la masse de bouchage peut Être rendue plus apte à la perforation si elle contient en outre du charbon gras broyé. L'addition de charbon gras permet de réguler l'usure du trou de coulée en fonction de la durée de la coulée. Les meilleurs résultats sont obtenus par une addition 15 d'environ 10% de charbon; de préférence, ce charbon est exempt de fractions plus grossières que les grains du composant réfractaire. Four obtenir une masse homogène, il est recommandé de mélanger tout d'abord le charbon avec le composant réfractaire et d'ajouter le liant ensuite. 20 Le charbon gras fin utilisé est du type dit "agglomérant" et gonflant. Ce charbon augmente les propriétés élastiques de la masse de bouchage et accélère sa liaison du' fait qu'il contribue à la formation d'une matrice de carbone. Suivant l'invention, on obtient des résultats satisfaisant» 25 si le composant réfractaire de la masse de bouchage est de la magnésite t calcinée ayant une teneur de plus de 80% en MgO. Pour accélérer encore plus le durcissement de la masse de bouchage et également pour renforcer la liaison céramique directe entre les grains de magnésite, il est souhaitable de stimuler le frittage de cette 30 magnésite. Suivant l'invention, ce résultat peut être obtenu parce que la magnésite contient des impuretés bien connues ayant une action réductrice sur le point de frittage et dont la quantité est telle que le point de frittage est réduit jusqu'à une température inférieure à environ 1300°C. Il est connu que la magnésite contient des impuretés 35 formées par différentes substances telles que CaO, SiÛ2, Fe2°3> diminuent son point de frittage. 72 14043 8 2133978 La qualité de la masse de bouchage peut également Être augmentée par une addition de puisque la constance du volume de la magnésite peut être stimulée d'une façon connue en soi. Suivant l'invention, des résultats satisfaisants peuvent 5 également être obtenus si le composant réfractaire est un mélange de Al^O^ et de SiO^, dans lequel l'élément Al^O^ peut varier entre 56 et 100%, Il est également possible d'utiliser de la bauxite avec une teneur de ^2^3 Pur allant de 60 à 90%. Il a été constaté que, lorsque la bauxite est échauffée, 10 elle a une tendance à la croissance cristalline, qui confère un effet gonflant à l'ensemble de la masse de bouchage. Cet effet peut être désirable sous certaines circonstances puisqu'il augmente l'effet de blocage de la masse dans le trou de coulée contre la surpression régnant à l'intérieur du four. Enfin, il est également possible d'obtenir des résultats 15 satisfaisants avec un composant réfractaire qui est principalement constitué par de la dolomite calcinée, ou qui est constitué par un mélange de Sic et Si02> dans lequel la teneur du Sic peut varier entre 50 et 100%. Dans des applications spéciales, il est également possible d'employer des mélanges des matériaux réfractaires cités ci-dessus pour le composant réfractaire. 20 H est remarquable qu'une combinaison de MgO ou et d'argile agglutinante permet d'obtenir des résultats satisfaisants. Dans un environnement métallurgique, MgO et Al-O- doivent être considérés comme / j * étant "basiques" et l'argile agglutinante doit être considérée comme étant "acide". 25 Certes, les propriétés réfractaires des masses de bouchage décrites ci-dessus diminuent légèrement par l'incorporation dans le mélange de l'argile agglutinante, mais la demanderesse a constaté que les propriétés réfractaires restent néanmoins amplement suffisantes pour l'application en question. 30 La demanderesse a constaté que, pendant la préparation de la masse de bouchage, le temps pendant lequel les composants sont mélangés les uns avec les autres est très important, en raison de l'influence qu'il exerce sur la plasticité du mélange. Il est supposé que deux effets agissant de manière dif-35 férente se produisent pendant ce processus de mélange. Pendant la première période du mixage, la plasticité diminue par suite de l'homogénéisation du mélange des composants. Toutefois, après un certain temps, il apparaît 72 14043 » 2133978 l'effet d'une réaction de polymérisation dans le goudron - accélérée par l'action du mixage - qui se traduit par l'augmentation progressive de la plasticité. En raison de la présence de l'argile agglutinante, l'effet sur la plasticité qui a été mentionné en premier est fortement réduit, et l'effet produit sur elle par la réaction de polymérisation domine. Le diagramme de la figure 2 montre la relation entre la plasticité, la teneur en goudron et le temps de mixage pour un mélange ayant la composition suivante : 10% d'argile, 10% de charbon gras fin, 13 à 17% de brai de goudron du type décrit ci-dessus reste MgO. Il ressort clairement du diagramme de la figure 2 que la plasticité augmente au fur et à mesure que le temps de mixage s'allonge et qu'elle diminue au fur et à mesure que la teneur en goudron est plus élevée. Suivant l'invention, on peut obtenir un mélange homogène convenable par le mixage des composants pendant au moins 60 minutes et, de préférence, pendant environ 120 minutes. Le diagramme de la figure 2 montre qu'un grand choix de valeurs pour la plasticité est possible dans une importante plage de teneurs en goudron. Les différentes courbes de la figure 2 ont en outre une pente suffisaniment faible pour que la plasticité désirée soit reproductible avec précision au moyen de la variation de la durée de mixage. Il ressort de ce qui précède que l'invention crée non seulement un procédé pour le bouchage de trous de coulée, mais également s une masse de bouchage ayant des propriétés avantageuses pour la mise en oeuvre de ce procédé. 72 14043 10 2133978 REVENDICATIONS 1. Procédé pour boucher les trous de coulée de fours métallurgiques, caractérisé par l'utilisation, comme masse de bouchage, d'un mélange comprenant 60 à 80% d'un matériau granulaire réfractaire de haute qualité qui résiste à l'érosion et à la corrosion, 12 à 18% d'un liant essentiellement 5 à base de goudron, et 4 à 12% d'argile agglutinante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant contient 65 à 75% de brai à électrodes et 9 à 11% de résine C2> et en ce que sa viscosité est inférieure à 8.000 cPo à 20°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce 10 que le composant réfractaire de la masse de bouchage est composé à raison de 20 à 40% de fractions granulométriques d'environ 3 et 6 mm, et de grains plus fins pour le reste. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse de boychage contient également du charbon gras 15 broyé. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur en charbon est d'environ 107.. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant réfractaire est de la magnésite calcinée 20 ayant une teneur en MgO de plus de 80%. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le composant réfractaire est un mélange de ^1^0^ et de Si02, et en ce que la teneur de l'élément A^O-j peut varier entre 56 et 100%. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 25 caractérisé en ce que le composant réfractaire est de la dolomite calcinée. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le composant réfractaire est un mélange de SiC et de Si02j l'élément SiC pouvant varier entre 50 et 100%. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que le matériau réfractaire contient des impuretés, connues en soi, ayant une action réductrice sur le point de frittage, la quantité de ces impuretés étant telle que le point de frittage est diminué jusqu'à une valeur inférieure à 1300°C. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- 35 dentes, caractérisé en ce que, avant le bouchage, les composants de la masse de 72 14043 il 2133978 bouchage sent mélangés pendant au mcir.s 60 minutes ets de préférence., pendant environ 120 minutes. 12, Masse, destinée à être appliquée en particulier comme masse de bouchage pour obturer des trous de coulée de four3 métallurgiques, 5 caractérisée en ce que sa composition est conforme à l'une quelconque des revend!catiens 1 à 10,