Brevet FR2118177A1 — publié le 19720728

i 2118177 La présente invention, concerne un fond de creuset de four à cuve, et notanment d'un haut fourneau pour production de fonte, du type à refroidissement par liquide sur le pourtour et à refroidissement par air sur la surface inférieure, et dans lequel ce fond de creuset com-5 porte une couche horizontale de matériau réfractaire, ayant un coefficient de conductibilité thermique X, supérieur à 20 kcal/m.h.°C dans les conditions de service. L'invention concerne également une méthode de refroidissement d'un tel fond de creuset, ainsi qu'un four à cuve équipé d'un tel fond de creuset. 10 II faut noter que dans la description ci-dessous et les revendica tions, le refroidissement par liquide désigne non seulement le refroidissement par ruissellement, mais aussi celui par vaporisation ou par convection. L'invention est décrite ci-dessous avec référence particulière à 15 son application à un haut fourneau pour production de fonte, mais elle est applicable de même aux fonds de creuset d'autres fours à cuve, telles que cubilots. Dans un haut fourneau, le fond de creuset est soumis à une importante charge thermique permanente, par la quantité de fonte liquide se trouvant 20 juste au-dessus de ce fond de creuset. La température est de l'ordre de 1400 à 1500°C au voisinage du trou de coulée. Le fond de creuset doit résister à des températures aussi élevées et supporter en outre une part considérable de la structure du haut fourneau et de son contenu. Afin de satisfaire aux exigences de la fonction portante, il est 25 nécessaire que les parties du fond de creuset supportant la structure soient à une température suffisamment faible. Une complication résulte de ce que le fond de creuset des hauts fourneaux est progressivement attaqué par la fonts liquide. Cette dernière tend à pénétrer dans la plupart des matériaux réfractaires utilisés, pour 30 le fond de creuset, jusqu'à une profondeur où la température de ce matériau correspond sensiblement à la température de solidification de la fonte5 qui est comprise entre 1120 et 1140°C. La zone située au-dessus de cette limite de température est progressivement attaquée et détériorée, de sorte que ladite limite de température se déplace vers le bas3 jusqu'à 35 ce qu'un équilibre soit atteint. Un gradient de température est observé suivant la hauteur de l'espace ainsi formé ou loup. Ce loup contient de haut en bas de la fonte liquide, de la fonte solidifiée et souvent aussi une matrice de coke. Il est essentiel que la hauteur du loup soit aussi faible que pos- 71 45580 2 2118177 sible dans cet état d'équilibre. Un loup de grande hauteur implique en effet non seulement une perte de matériau importante dans le fond de creuset du haut fourneau, mais aussi une élévation de la température dans la fondation de ce fond de creuset, ce qui est un inconvénient encore plus 5 grave. La fonction portante de cette fondation risque même d'être perturbée ainsi. La formation d'un loup de grande hauteur n'est également pas souhaitable pour d'autres raisons, relatives à la production de fonte brute. On s'est par suite efforcé dans le passé de réaliser les structures du fond de creuset de façon que la hauteur du loup et la température dans 10 la fondation soient aussi faibles que possible. Un développement récent consiste à réaliser le fond de creuset avec une épaisseur relativement faible, un refroidissement par liquide sur le pourtour et un refroidissement par air sur la surface inférieure. Une telle structure, dont le reste est par ailleurs réalisé pour l'essentiel en briques de carbone, 15 est décrite dans le "Journal of the Iron and Steel Institute", septembre 1967. Dans cette structure, le fond de creuset repose sur une plaque d'assise en acier, dont la surface inférieure est refroidie par circulation d'air et dont la partie supérieure porte une mince couche de graphite, d'une épaisseur d'environ 30 cm. Gette couche de graphite a pour fonction 20 d'assurer un bon contact thermique entre le matériau réfractaire du fond de creuset et la plaque d'acier. Dans cette structure, une fraction considérable du flux calorifique total est dissipée à travers la surface inférieure du fond de creuset. Un avantage de cette solution réside dans la possibilité de réaliser un fond de creuset relativement mince et de 25 réduire encore la hauteur du loup. Cette structure ne représente toutefois pas une solution satisfaisante pour les très grands hauts fourneaux. L'expérience montre qu'il est nécessaire, dans le cas de telles grandes structures, de réduire encore la dimension du loup, faute de quoi la dissipation de chaleur à travers 30 la surface inférieure du fond de creuset devient si considérable qu'un refroidissement par air de cette surface est insuffisant. Un refroidissement par eau de la surface inférieure du fond de creuset est nécessaire quand on désire néanmoins limiter la température de la plaque d'assise à 100°C environ. Une telle solution présente toutefois des risques impor-35 tants, car une perturbation ou une défaillance de ce système de refroidissement par eau de la surface inférieure du fond de creuset fait croître rapidement la température jusqu'à des valeurs inadmissibles, avec un risque considérable d'effondrement du fond de creuset. La réalisation de l'ensemble du fond de creuset dans un matériau meilleur conducteur 40 de la chaleur permettrait de supprimer cet inconvénient d'un loup trop 71 45580 3 2118177 haut, mais augmenterait le danger suivant : le fonctionnement d'un haut fourneau équipé d'un tel fond de creuset présente de grands risques, notamment en cas de défaillance du refroidissement de la surface inférieure par eau. 5 L'invention a pour objet une structure qui ne présente pas les incon vénients des structures connues et ne produit néanmoins qu'un loup de faibles dimensions, et notamment de faible hauteur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le fond de 6X1 SOI creuset comporte de façon connue/une coiiche horizontale de matériau 10 réfractaire, dont le coefficient de conductibilité thermique X est supérieur à 20 kcal/m.h.°C dans les conditions de service et les faces supérieure et inférieure de ladite couche sont couvertes par une couche supérieure et une couche inférieure de matériau réfractaire dont le coefficient de conductibilité thermique X est très inférieur à celui de 15 la couche intermédiaire précitée. Cette structure du fond de creuset permet de réaliser le refroidissement de ce fond selon l'invention, afin que sa surface inférieure soit maintenue au-dessous de 150°C environ, de en soi, façon connue/et de préférence par refroidissement par air, l'épaisseur des couches supérieure et inférieure du fond de creuset utilisé étant 20 choisies en fonction de leurs propriétés de conduction thermique et de façon que 20 à 60 % seulement de la chaleur dissipée par la couche intermédiaire, à coefficient de conductibilité thermique élevée, soient transférés dans la couche inférieure. La couche réfractaire supérieure a pour fonction essentielle de 25 protéger la couche intermédiaire située en*dessous. Cette dernière est en effet réalisée dans un matériau généralement beaucoup plus coûteux que les matériaux réfractaires usuels. Selon l'invention, on utilise de préférence du graphite ayant un coefficient de conductibilité thermique de 60 à 100 kcal/m.h.°C comme 30 matériau pour cette couche intermédiaire à conduction thermique élevée. La couverture par une couche moins coûteuse, d'un matériau meilleur isolant thermique, abaisse la température de la couche de graphite au-dessous de la température de fusion de la fonte, ce qui interdit la pénétration du loup dans la couche de graphite. 35 La couche la plus basse, également réalisée dans un matériau moins conducteur, réduit le flux calorifique vers et à travers la plaque d'assise en acier du fond de creuset. La chaleur restante est par suite dissipée vers le pourtour de la couche de graphite, où le refroidissement par liquide maintient une basse température. 40 Par suite de la bonne conduction thermique à travers la couche de 71 45580 4 2118177 graphite, l'invention permet d'obtenir de haut en bas un gradient de température pratiquement identique en tous les points du fond de creuset, de la même façon que si le flux calorifique traversant la couche de graphite était essentiellement dissipé vers la surface inférieure du fond 5 de creuset. La dissipation de chaleur bonne et uniforme ne permet ainsi la formation que d'un loup de très faible hauteur, et notamment très plat. Un avantage important de la structure et de la méthode selon l'invention réside dans la possibilité de refroidir par air la face inférieure 10 du fond de creuset, même dans le cas de très grands hauts fourneaux. Les risques considérables du refroidissement par eau de cette zone sont ainsi évités. Il apparaît en outre qu'en cas d'une réduction, voire d'une défaillance totale du refroidissement par air, la température de la plaque 15 d'assise en acier du fond de creuset n'augmente que très lentement et n'atteint une température de 200°C qu'après un temps très long, ce qui permet de réparer et de remettre le refroidissement par air en service avant que l'élévation de température du fond de creuset ne devienne excessive. 20 II faut noter qu'un refroidissement par eau sur le pourtour du fond de creuset entraîne beaucoup moins de risque qu'un refroidissement par eau de la surface inférieure du fond de creuset. En cas de défaillance du refroidissement sur le pourtour, il est toujours possible de refroidir ce dernier d'une façon simple, par projection d'eau à la main. 25 Le brevet des Etats-Unis n° 2.673.083 propose d'incorporer au fond de creuset d'un four une couche de graphite horizontale, afin de dissiper la chaleur latéralement, vers un refroidissement par eau, à proximité du pourtour du fond de creuset. Dans ce cas, la couche de graphite est toutefois enfermée dans une structure réfractaire massive, sans refroi-30 dissement de la surface inférieure. Il en résulte une dissipation de chaleur presque uniquement latérale et par suite un profil relativement haut des surfaces isothermes dans le fond de creuset. Il est alors nécessaire de recouvrir la couche de graphite d'une couche supérieure plus épaisse pour la protéger, ce qui produit également un loup plus haut. 35 En règle générale, des structures de fond de creuset sans refroidissement de la surface inférieure sont trop lourdes et trop couteuses pour présenter un intérêt dans le cas des très grands fours modernes. Des résultats particulièrement favorables sont obtenus selon l'invention, quand 25 à 40 % de la chaleur circulant dans la couche intermë-40 diaire, à coefficient de conduction thermique élevé, sont dissipés vers 71 45580 5 2118177 la couche inférieure et quand le pourtour du fond de creuset est maintenu à une température d'environ 50°C. Il semble tout à fait possible de satisfaire à ces conditions en utilisant dans la couche inférieure du fond de creuset un matériau dont le coefficient de conduction thermique 5 est compris entre 2 et 5 kcal/m.h.°C. Cette faible conduction thermique permet de réaliser une mince couche inférieure. De bons résultats sont obtenus en disposant des briques de carbone amorphe dans cette zone. Des briques de carbone, magnésite ou chamotte sont utilisables en principe dans la couche supérieure. Par suite de la très bonne résistance 10 à l'attaque, on utilise de préférence un matériau semi-graphitique, ayant un coefficient X de 20 à 30 kcal/m.h.°C. Un fond de creuset particulièrement approprié a été obtenu avec la structure présentant les caractéristiques suivantes : les trois couches ont, de haut en bas, un coefficient X d'environ 25, 80 et 4 kcal/m.h.°C respectivement et une 15 épaisseur d'environ 60, 120 et 60 cm respectivement. De très bons résultats sont également obtenus selon l'invention quand la structure du fond de creuset est en outre recouverte par une couche supérieure ayant une épaisseur d'environ 30 cm, les diverses couches disposées de haut en bas étant respectivement en magnésite (X =2 à 3), 20 carbone (X = 5 environ), graphite (X = 80 environ) et carbone (X = 3 à 4) et ayant une épaisseur d'environ 35, 60, 120 et 60 cm respectivement. L'invention concerne non seulement la structure du fond de creuset et la méthode de refroidissement précédemment décrite, mais aussi les fours à cuve et notamment les hauts fourneaux servant à la production 25 de fonte et équipés du nouveau fond de creuset. L'expérience montre qu'il est possible de dessiner de tels fours ou fourneaux d'un poids plus faible et que la régulation de la température du fond de creuset est plus facile que dans le cas d'autres fours et fourneaux comparables. Le coefficient de conductibilité thermique X et l'épaisseur de la 30 couche inférieure déterminent sa résistance thermique. Un accroissement de la résistance thermique (grâce à un faible X par exemple) diminue la température de la plaque d'assise du fond de creuset, mais augmente la hauteur du loup. Une faible résistance thermique de la couche inférieure permet un accroissement de la dissipation de chaleur à travers cette 35 couche, accroît la température de la plaque d'assise du fond de creuset, au-dessous de la couche inférieure, mais produit un loup moins haut et plus plat. En faisant varier la structure de la couche inférieure de façon que 20 à 60 % du flux calorifique total traversant la couche intermédiaire soient dirigés vers la couche inférieure, on réalise des condi-40 tions dans lesquelles la hauteur du loup et la température de la plaque 71 45580 6 2118177 ■ d'assise du fond de creuset demeurent entre des limites acceptables. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et du dessin annexé, sur lequel la figure unique représente le schéma d'une réalisa-5 tion de la nouvelle structure du fond de creuset selon l'invention. Un blindage en acieri entoure une structure de fond de creuset réfractaire. Ce blindage se raccorde à une plaque d'assise 2 en acier, portant le fond de creuset et reposant sur une structure de poutres en acier 3. Le fond de creuset proprement dit est constitué par trois couches 4, 5 et 6. La 10 couche supérieure 4, d'une épaisseur de 60 cm, est en semi-graphite, dont le coefficient de conductibilité thermique X est d'environ 20 kcal/m.h°C. La couche 5, d'une épaisseur de 120 cm, est en graphite dont le coefficient X est d'environ 90 kcal/m.h.°C. La couche 6, d'une épaisseur de 60 cm, est constituée par des briques 15 de carbone ayant un coefficient X d'environ 4 kcal/m.h.°C. Les valeurs citées des coefficients X sont celles obtenues dans les conditions et à la température de service. Le diamètre du creuset est d'environ 13 m. Le blindage 1 est refroidi à 60°C environ par un ruissellement d'eau, indiqué par les tuyères de pulvérisation 7. Une soufflante non représentée, 20 d'une puissance de 100 ch, refroidit la plaque d'assise en acier du fond de creuset, afin de maintenir sa température au-dessous de 100°C. La quantité de chaleur totale Qq dissipée à travers la couche 5 se divise en deux parties. Le flux calorifique à travers la plaque d'assise 2 du fond de creuset est d'environ 200 000 kcal/h et la quantité de chaleur Lâtéirâl 25 dissipée à travers le blindage/de la couche 5 est d'environ 240 000 kcal/h. La température dans le haut fourneau est d'environ 1400 à 1500°C au voisinage du trou de coulée 8. Au centre du fond de creuset, l'isotherme 1100°C n'atteint pas la face supérieure de la couche 4, ce qui prouve qu'aucun loup ne peut se former et que le fond de creuset n'est pas 30 attaqué. Il est évident que l'invention ne se limite pas à cette réalisation, uniquement décrite à titre d'exemple non limitatif. Il est notamment possible d'obtenir aussi de bons résultats en replaçant la couche supérieure en semi-graphite par une couche de carbone de même épaisseur, 35 ayant un coefficient X de 5 kcal/m.h.°C et recouverte par une couche de magnésite, ayant une épaisseur de 30 cm et un coefficient X de 2 à 3 kcal/m.hrc. 71 45580 7 2118177 Revendications 1. Fond de creuset de four à cuve, et notamment de haut fourneau pour la production de fonte, du type à refroidissement par liquide sur le pourtour et refroidissement par air sur la surface inférieure, et dans 5 lequel ce fond de creuset comporte une couche horizontale en matériau réfractaire ayant un coefficient de conductibilité thermique X supérieur à 20 kcal/m.h.°C dans les conditions de service, ledit fond de creuset étant caractérisé par le fait que les faces supérieure et inférieure de cette couche sont couvertes par une couche supérieure et une couche infé-10 rieure d'un matériau réfractaire ayant un coefficient X très inférieur à celui de la couche intermédiaire. 2. Méthode de refroidissement du fond de creuset d'un four à cuve d'un type selon revendication 1, caractérisée par le fait que la surface inférieure du fond de creuset est refroidie en service de façon connue en soi, à 15 une température inférieure à 150°C environ, l'épaisseur des couches supérieure et inférieure du fond de creuset utilisé étant choisie en fonction de leurs propriétés de conduction thermique et afin que 20 à 60 % seulement de la chaleur dissipée à travers la couche intermédiaire, à coefficient X élevé, soient transmis à la couche inférieure. 20 3. Méthode selon revendication 2, caractérisée par le fait que 25 à 40 % de la chaleur dissipée à travers la couche intermédiaire sont transférés à la couche inférieure et que le pourtour du fond de creuset est maintenu de préférence à une température d'environ 50 °C. 4. Fond de creuset selon revendication 1, caractérisé par le fait que 25 la couche intermédiaire, à coefficient'X élevé, est en graphite ayant un coefficient X de 60 à 100 kcal/m.h.°C. 5. Fond de creuset selon une des revendications 1 et 4, caractérisé par le fait que la couche inférieure comprend un matériau réfractaire ayant un coefficient X de 2 à 5 kcal/m.h. °C, et est de préférence réalisée en 30 briques de. carbone. 6. Fond de creuset selon les revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que la couche supérieure est réalisée en matériau réfractaire ayant un coefficient X de 20 à 30 kcal/m.h.°C, et de préférence en semi-graphite. 7. Fond de creuset selon une quelconque des revendications 1, 4, 5 et 35 6, caractérisé par le fait que les trois couches ont, de haut en bas, un coefficient X d'environ 25, 80 et 4 kcal/m.h.°C respectivement et une épaisseur d'environ 60, 120 et 60 cm respectivement. 8. Fond de creuset selon une quelconque des revendications 1, 4, 5 et 6, caractérisé par le fait que la couche supérieure est recouverte d'une An couche de protection et que les diverses couches, de haut en bas, sont en 71 45580 2Iibl/7 magnésite, carbone, graphite et carbone respectivement, et ont une épais seur d'environ 35, 60, 120 et 60 cm respectivement.