Brevet FR2327318A1 — publié le 19770506

La présente invention concerne une tuyère pour haut fourneau comportant une buse en alliage de cuivre assemblée sur une culasse massive en acier. Ces tuyères utilisées nour souffler le vent dans les hauts-fourneaux Deuvent être de profil tres variés suivant l'usage auquel elles sont destinées. Cependant, quelle que soit leur utilisation, une tartie de la tuyère, le "nez" débouche dans la cuve du hautfourneau en un endroit où la température très élevée impose un refroidissement énergique de la tuyère nar circulation d'eau. La plupart du temps ces tuyères sont entièrement realisées en cuivre nu en alliage de cuivre dont la conductibilité thermique élevée nermet un refroidissement très efficace. I1 est cependant évident que toute la tuyère n'est pas exposée à cette température élevée et nue la partie arrière de la tuyère n'exige pas un refroidissement aussi énergique. La realisation de tuyères entièrement en alliage de cuivre conduisant à des prix de revient très élevés, le demandeur a envisage de réaliser la tuyère en deux parties, une buse en alliage de cuivre pour la partie située vers l'intérieur du hautfoirneau et une culasse en acier pour la partie arriere de la tuyère, les deux parties etant assemblées par brasage. On a donc réalisé des tuyères constituées par deux éléments en métaux de différentes natures et on les a assenhlées et soudées selon les techninues utilises nar les spécia- listes de la brasure. Or, parmi les nièces ainsi brasées, on a constate un taux très élevé de pièces défectueuses nar suite de fissuration importante de la pièce en acier au niveau des brasures.De plus, les quelques nièces qui sont apparues correctes ont toutes été défectueuses pour les memes raisons lorsque l'on a procédé au remplacement de la buse usée par une buse neuve brasée sur la même culasse. Toutefois devant l'intérêt économique du remplace- ment de la culasse en cuivre par une culasse en acier, le demandeur a poursuivi ses étides nour mettre au noint une technique d'assemblage par brasure donnant des pièces correctes. La présente invention a donc norir but do fournir des tuyoree pour haut fourneau ennstituées nar une buse en alliage de cuivre et une culasse en acier assemblées nar brasure afin de pouvoir procéder au changement de la buse tout en utilisant la meme culasse. A cet effet l'invention a pour objet une tuyère constituée par une buse en cuivre ou alliage de cuivre et une culasse massive en acier dont la teneur en carbone est au plus egale à 0,25 % en poids, les deux éléments buse et culasse autant assemblés nar une brasure argentcuivre contenant au nlus 45 % en poids de cuivre. Afin de mieux comprendre l'invention on décrira un exemnle d'application concernant la fabrication de tuyère à onde de choc pour injecter du com bustible liquide tel que le fuel dans un hautfourneau. On se referera à la planche de dessins annexée sur laquelle la figure 1 représente une vue en coupe d'une tuyère de haut-fourneau. Ainsi qu'il a déjà éte dit plus haut, certaines pièces habituellement réalisées massivement en cuivre pourraient être conçues en deux eléments, l'un réalisé en cuivre, la buse et l'autre la culasse dans un matériau notablement moins coGteux tel que l'acier, dans la mesure ou l'on sait réaliser leur assemblage sans défauts.C'est par exemple le cas des tuyères de haut fourneau telle que celle représentée sur la figure 1. Cette tuyère est constituée d'une buse 1 réalisée en cuivre ou alliage de cuivre moulé à double paroi pour le refroidissement par fluide. Dans le modèle représenté, cette buse est assemblée sur une culasse massive en acier 2. Pour fixer les idées dans une telle tuyère, la culasse en acier et la buse pèse 80 kg chacune environ. On voit que vue la différence de prix des deux matériaux, l'économie est notable puisque l'on remplace 80 Kg de Cu par 80 Kg d'acier. L'assemblage des deux éléments est réalisé par embottement de la buse 1 dans des gorges 3 usinées dans la partie centrale et dans la périphérie de la culasse. L'assemblage et l'étanchéité sont réalisés par brasage. En effet, il est nécessaire de pouvoir changer la buse, qui est l'élément exposé à la chaleur, pour la remplacer par une neuve tout en conservant la culasse. Ainsi qu'il a été dit plus haut, les essais d'assemblage ont montré que le rebut était important par suite de la fissuration de la culasse. Ce brassage était réalisé avec une brasure au laiton, la piece étant chauffée au niveau des soudures à environ 850-900"C. Les séries d'essai entreprises par le demandeur ont montré qu'une des causes de fissuration provenait de la mise sous contrainte de traction de la piece massive en acier.En effet, contrairement au cas du brasage de pièces minoens, telles que des tubes, on a affaire dans le cas présent à des pièces représentant une masse de métal très importante de l'ordre de 80 kg qui peuvent etre le siège d'hétérogénéités thermiques importantes. Si on chauffe les zones à braser pour provoquer la fusion du laiton de brasure, il est évident que toute la masse de la pièce risque de ne pas étre homogène en température, d'autant que la température de fusion de la brasure est assez élevée, de l'ordre de 850 à 9000C. Par ailleurs, d'autres phénomènes générateurs de fissuration apparaissent au niveau du contact de l'acier avec la brasure. En effet, lorsque de l'acier soumis à une contrainte de traction est mis en présence de cuivre liquide, il y a infiltration de cuivre dans les joints de grain de l'acier avec amorce de fissuration au cours du refroidissement. On a pu montrer que ce phénomène est d'autant plus intense que la teneur en carbone-de l'acier est plus élevée. A partir de ces considérations, le demandeur a mis au point une technique }td'assemblage de tuyeres acier-cuivre afin d'obtenir un montage sGr et la possibilite d'utiliser plusieurs fois la culasse avec des buses neuves.Dans ce but, on réalise la culasse dans un acier dont la teneur en carbone est au plus égale à 0,25 X en poids, la buse quant à elle etant en cuivre moule. L'assemblage est réalisé par embotte- ment de la base de la buse dans des gorges correspondantes usinées dans la culasse. Etant donne que l'assemblage se fait par brasure, il est necessaire de menager un certain jeu à chaud entre les deux parties métalliques.Ce jeu est déterminé par l'application de la formule suivante, connue des spécialistes D J = (a1 - a2)(T - t) dans laquelle D est le diametre moyen des pieces a assembler Q1 et a2 sont les coefficients de dilatation des deux metaux T est la température de brasage t est la température ambiante Le jeu est déterminé pour qu'à la température de brasage, il subsiste un espace capillaire suffisant entre les faces à braser. En outre, au refroidissement, la brasure subira un allongement qui peut entratner une rupture si l'épaisseur du joint a chaud n'est pas suffisante si l'on depasse le coefficient d'allongement.Connaissant ce dernier en X, on détermine l'épaisseur du joint par la formule #J 0,3 dans le cas d'un allongement de 30 X. En ce qui concerne le brasag en luimeme, le demandeur a abandonné le laiton dont la température de fusion est trop élevée pour utiliser une brasure à 45 % d'argent et 45 X de cuivre contenant également du cadmium et du zinc. Le point de fusion de cette brasure est de 5750C + 200C, ce qui est notablement plus bas que celle du laiton de brasage voisine de 9000 C. Par ailleurs, cette brasure ayant une teneur en cuivre assez faible et une température de fusion plus basse, on diminue considérablement les risques de diffusion du cuivre dans l'acier. Enfin, le chauffage pour provoquer la fusion de la brasure est obtenu par chauffage dans un four dont on -régle l'allure de chauffe de manière que les différences de température entre l'extérieur et l'intérieur de la culasse en acier soient au plus égales à 100C. On voit donc que l'ensemble des conditions définies par le demandeur visent a éliminer tout risque de mise sous contrainte de traction de la piece, chauffage homogene, utilisation d'une brasure -bas -point de fusion et à réduire au maximum les possibilités de diffusion du cuivre dans l'acier basse température, acier à faible teneur en carbone, brasure à plus faible teneur en cuivre. Les essais ont d'ailleurs montré que l'on ne constatait aucune fissuration des tuyeres réalisées selon cette méthode. On va maintenant décrire la mise en oeuvre pratique de cette méthode. Dans un premier temps, on avive soigneusement les surfacès à braser aussi bien sur la culasse que sur la buse. La culasse est alors disposée à plat, les gorges vers le haut et l'on place au fond de celles-ci trois fils de brasure d'un diamètre de deux millimetres environ. La base de la buse est alors emboftee dans les gorges et repose sur les fils de brasure. L'ensemble est placé dans le four de chauffage dont on règle l'allure de chauffe comne indi qué plus haut jusqu'à atteindre 6000C. Il est évident que le nombre de fils de brasure et leur diamètre ne sont pas fixes et qu'il sont adaptés à la taille des pièces à assembler, donc aux dimensions des gorges et des volumes libres à remplir. A cette température, la brasure devient liquide et sous le poids de la base remonte le long des parois l'espace capillaire laissé libre. L'ensemble est alors refroidi et prét à autre utilisé. Ultérieurement, on peut procéder au demontage de la buse et remonter une buse neuve sur la meme culasse utilisable plusieurs fois de suite. Lorsque toutes les conditions déterminées par le demandeur sont respectées, on ne constate aucun cas de fissuration. Il est important que toutes les conditions soient remplies simultanément car l'omission d'une seule de ces conditions peut suffire à provoquer la fissuration. C'est ainsi que des tuyeres comportant une culasse en acier à bas carbone a montré des fissurations lorsque l'on a essayé de la braser avec une brasure au laiton. REVENDICATION 1. Tuyère pour souffler le vent dans un haut fourneau, caractérisée en ce qu'elle comprend une buse réalisée en cuivre ou alliage de cuivre et une culasse en acier dont la teneur en carbone est au plus égale à 0,25 X en poids et que la buse est assemblée sur la culasse par une brasure argent-cuivre contenant au plus 45 X en poids de cuivre.