Brevet FR2389088A1 — publié le 19781124

La présente invention concerne un élément de refroidissement pour un four métallurgique, avec des tubes en acier coulés dans une pièce en fonte et véhiculant du-réfrigérant, avec un revêtement intermédiaire se trouvant sur les tubes en acier et avec un habillage réfractaire placé coté four, à la surface frontale de la pièce en fonte. I1 est connu de mettre en oeuvre des éléments de refroidissement de cette espèce dans les fours métallurgiques, notamment les hauts fourneaux. Dans ces éléments connus, la pièce en fonte de l'6lément est constituée de fonte è graphite lamellaire.Une telle fonte possède une bonne conductibilité thermique et elle peut en outre etre fondue à des températures reátivement basses, par exemple 1210 à 12200C En ce qui concerne le refroidissement, la bonne conductibilite thermique est un avantage et la basse température de fusion en est un pour la tenue deys tubes d'acier à incorporer dans l'élément de refroidissement. I1 existe cependant le risque queleas tubes d'acier se carburent-dès la coulée de la pièce en fonte, car le carbone diffuse de la fonte vers les tubes. Par suite de l'affaiblissement de la résistance de l'acier à cause de la carburation, les tubes sont sujets à des fissures.Pour prévenir ce risque, il a été proposé de rapporter sur les tubes d'acier une couche métallique comme l'aluminium ou une couche d'oxyde métallique. L'invention part de l'idée que les éléments de refroidissement connus ont de toute façon un temps d'action limité, des incidents se produisant surtout quand la maçonnerie placée devant les éléments de refroidissement est démolie, c'est-à-dire quand le chargement du haut fourneau peut atteindre directement la face frontale des éléments de refroidissement. Ce chargement se composa de coke, de minerai partiellement réduit et d'incorporations de scories. Ces constituants exercent une contrainte combinée thermomecanique sur les éléments de refroidissement, contrainte qui se traduit par un risque accru de fissuration de la pièce en fonte des éléments.Un accident prématuré des éléments de refroidissement connus provient en outre de ce qu'il existe entre la pièce en fonte et l'habillage réfractaire coulé des tensions qui peuvent provoquer une élimination prématurée de l'habillage réfractaire. te but de l'invention est de réaliser un élément de refroidissement qui ait une durée de vie plus longue et qui résolve en particulier le problème du risque de fissuration. Le moyen d'atteindre ce but selon l'invention consiste en ce que la pièce en fonte est en fonte faiblement alliée à graphite sphéroYdal qui présente une teneur en silicium d'au moins 1,8%. De préfercnce, la teneur en silicium atteint au moins 2,1. Selon une forme nettement avantageuse de réalisation, la pièce en -fonte à graphite sphéroidal contient 2,5 à 4,0% de carbone, 2,1 à 5,3% de silicium et magnésium etlou cérium comme éléments constituants du graphite sphéroïdal, le reste étant du fer avec les impuretés habituelles. A l'intérieur des limites données, on préfère surtout des- teneurs de silicium de 2,2 à 3,5 et des teneurs de carbone de 2,7 à 3,8%. La fonte nodulaire et des teneurs plus élevées en silicium appartiennent depuis des dizaines d'années - l'état de la technique (voir par exemple 'Yechnische Mitteilungen" (Informations techniques) Krupp, 1955, pages 133 à 144). I1 est connu que la fonte nodulaire possède une résistance à l'usure et une stabilité à la dilatation élevées. Ces propriétés ont conduit à de mul-tiples utilisations telles que les portes de fours, les batteries à coke, les grilles pour installations de frittage. Assurément, la conductibilité thermique de la fonte nodulaire est notablement plus faible que celle de la fonte à graphite lamellaire. Ceci est valable en particulier pour les teneurs assez élevées en silicium, car la conductibilité thermique se détériore nettement quandXla teneur en silicium augmente.En outre, la fonte nodulaire doit être coulée à des températures plus élevées que la fonte à graphite lamellaire. I1 est possible que l'homme de l'art, à cause de ces propriétés défavorables pour les éléments de refroidissement, n'ait pas l'idée d'utiliser la fonte nodulaire comme matériau pour la pièce de refroidissement. Mais, on a constaté avec surprise que la fonte nodulaire convenait particu lièrement pour résister aux contraintes therm-omdcaniquesdu haut fourneau. La tenue prolongée des éléments de refroidissement apparat notamment quand la pièce en fonte nodulaire présente sur sa face frontale, pour la mise en place de l'habillage réfractaire, des évidements courant parallèlement au côté large de l'élément et dont la section droite stévase vers l'intérieur de la pièce en fonte, l'habillage réfractaire pouvant être glissé dans ces évidements. De préférence, lthabillage se compose de pierres séparées dont la section droite correspond à celle de l'évidement. De préférence, l'habillage doit se terminer sensiblement de façon jointive avec le plan de la face frontale de la pièce en fonte, la face c8té four étant fournie pour 30 à 70% par l'habillage et pour 70 à 30% par la pièce en fonte.L'évasement de la section droite de l'évidement peut être réalisé par gradins, par exemple d'une façon très simple, sous la forme d'un T. On préfère un évasement continu, afin qu'on puisse parler d'une obliquité de la section droite. Dans le cadre de cet exposé, on entend par obliquité la moitié de la différence entre les largeurs avant et arrière de l'évidement. Une obliquité entre 2 et 10/oX surtout entre 4 et 7%, est considérée comme particulièrement avantageuse. Pour faciliter l'introduction des pierres réfractaires, celles-ci doivent présenter une cote plus faible que ltévide- ment, et l'on considere comme particulièrement indiquée une différence de cotes de 1 à 3,5 mm (jeu entre la pierre et l'évidement). Llavantage essentiel de la pièce en fonte avec des évidements s'évasant en section droite consiste en ce que les températures de coulée nécessairement plus élevées pour la fonte nodulaire n'ont aucune influence désavantageuse sur l'ancrage de l'habillage réfractaire, puisque celui-ci n'est introduit qu'après la coulée dans les évidements de la pièce en fonte refroidie. Avec un habillage ainsi introduit, la fonte nodulaire présente, à cause de sa stabilité à la dilatation, des avantages importants, car la déformation due à l'augmentation de la température est plus faible pour une fonte nodulaire que pour une fonte à graphite lamellaire. Une déformation plus forte pourrait provoquer une détérioration des pierres réfractaires. Ce risque est beaucoup plus faible avec l'élément de refroidissement de l'invention, parce que la fonte nodulaire a une plus grande stabilité en dilatation et qu'en outrez la section droite de l'évidement s'évasant vers l'intérieur assure une meilleure tenue de l'habillage réfractaire qui y est introduit ta meilleure tenue des éléments de refroidissement de l'invention se manifeste notamment quand une bonne transmission de chaleur est assurée entre la pièce en fonte et les tubes d'acier véhiculant le réfrigérant. Cette bonne transmission est obtenue en particulier si le revêtement intermédiaire ne présente qu'une faible épaisseur pour une constitution à plusieurs couches. Même pour les températures de coulée assez élevées de la fonte nodulaire, la faible épaisseur est possible si l'on a prévu un revêtement intermédiaire à plusieurs couches se composant, du c8td du tube en acier, de l'un des métaux suivants : nickel, cobalt, argent, pris isolément ou en combinaison et, --8té pièce en fonte, d'un oxyde métallique stable. La couche métallique est déposée de préférence sous une épaisseur de 40 à 100 microns. ta couche d'oxyde métallique atteint de préférence une épaisseur de 30 à 100 microns. L'avantage de la couche métallique est que ces métaux protègent le tube en acier de la carburation. La couche d'oxyde métallique empoche des avaries de la couche métallique dès la coulée. Pour la couche d'oxyde métallique, on préfère des oxydes métalliques à haute stabilité, notamment des oxydes métalliques qui, dans des conditions normales de pression et à une température de 6000C, ont une enthalpie libre de formation standard inférieure à -180 kcal. C'est le cas, par exemple, des oxydes très stables des métaux : aluminium, titane, zirconium. A côté des éléments d'alliage essentiels carbone, silicium et des éléments constituants du graphite sphéroidal, magnésium et/ou cérium, la pièce en fonte peut contenir d'autres éléments d'alliage qui agissent favorablement sur les propriétés recherchées de l'élément de refroidissement. On a, en effet, constaté qu'une proportion plus élevée de structure -ferritique dans la pièce en fonte était favorable, car cette proportion plus élevée a pour conséquence que le tube d'acier et la fonte présentent sensiblement les mêmes dilatations thermiques. Cela est essentiel pour le faible jeu désiré entre le tube et la pièce en fonte. Ainsi, la proportion de ferrite doit atteindre de préférence plus de 802, en particulier plus de 90%. Ces portions se ferrite doivent exister dans la structure de l'élément de refroidissement à l'étant fondu. Dans ce sens, une teneur en molybdène jusqu'à 3%, en particulier 0,5-à 1,5çL, a paru avantageuse. Le molybdène agit pour faire apparaître la ferrite. La proportion élevée de ferrite agit également de façon positive sur le coefficient d'allongement. Les coefficients d'allongement plus élevés correspondent à un risque de fissuration plus faible. La teneur en manganèse de l'alliage de fonte devrait autant que possible ne pas dépasser 0,8%. On préfère des teneurs de moins de 0,5Z de manganèse, car ces faibles proportions agissent favorablement sur la structure. Finalement, on constate que la combinaison d'ensemble donne r. :l..iiL dc refroidissement qui est particulièrement apte à traiter des flux de chaleur élevés traversant l'élément. Cela provient essentiellement de la meilleure stabilité en dilatation de la pièce en fonte nodulaire et de la mise en place des pierres réfractaires. La durée de vie des éléments est notablement prolongée} parce que les pierres introduites peuvent exercer plus longtemps leur fonction et qu'ainsi les parties de la pièce en fonte qui se trouvent entre les pierres et qui font saillie en direction du four peuvent également exercer plus longtemps leur fonction de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description -qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente en coupe une première forme de réalisation d'un élément de refroidissement; - la figure 2 représente en coupe une seconde forme de réalisation de l'élément de refroidissement; et - la figure3 représente une échelle agrandie un détail des figures 2 et 3. t'élément de refroidissement désigné globalement par 1 se compose de la pièce en fonte 2 etdes tubes d'acier coulés 3 dont un seul est représenté sur les figures 2 et 3. Vus de la surface frontale côté four, ces éléments 1 possèdent par exemple une section droite rectangulaire (la vue sur la surface 5 n'est pas représentée sur les figures ). La coupe de l'élément 1 représentée sur les figures montre un tube 3 coudé en U. L'entrée et la sortie du tube 3 dépassent de la pièce 2. Celle-ci presente~des évidements 4 dans sa surface 5. Sur la figure 1, ces évidements 4 ont une section droite rectangulaire; sur la figure 2, les évidements ont une section droite qui stelargit obliquement en direction de itintérieur de l'élément I avec une forme générale en queue d'aronde. La figure 2 montre-quton a disposé dans les évidements 4 un habillage réfractaire désigné globalement par 6. Cet habillage se compose de plusieurs pierres séparées 7 dont l'une est représentée en coupe sur la figure 2. La pierre 7 a des cotes légèrement inférieures (par exemple 2 mm de jeu) à celles de l'évidement 4. Entre la pierre 7 et.l'évidement 4, on a disposé un mortier 8 à prise chimique, Le repère 9 désigne la distance entre la surface 5 de l'éleent 1 et le tube 3. La profondeur de l'évide- ment 4 doit atteindre de préférence 1/3 à 2/3 de la distance 9. On préfère une valeur de 45 à 55 D de la distance 9. La coupe agrandie de la figure 3 montre la disposition du revêtement intermédiaire 10 à deux couches entre le tube 3 et la pièce 2. Le revêtement 10 se compose d'une première couche 11 en nickel et d'une seconde couche superposée 12 en A1203. Cette disposition en deux couches permet un revêtement 10 très mince, la couche 12 étant seule responsable d'une plus mauvaise conduction de la chaleur et pouvant atteindre une épaisseur de 50 microns seulement. On maintient ainsi un bon effet de refroidissement. La pièce 2, en fonte à graphite spheroidal, a la composition suivante carbone 2,8%; silicium 2,5%; manganèse 0,19%; magnésium 0,064%; phosphore 0,014%; soufre 0,004%; fer, le reste. La résistance à la traction était de 404 N/mm2 et l'allongement S5 = 10%. Bien entendu, ltinvention n'est pas limite au mode de réalisation décrit et lthomme de l'art pourra y apporter diverses modifications sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Elément de refroidissement pour un four métallurgique, avec des tubes en acier coulés dans une pièce en fonte et véhiculant du réfrigérant, avec un revêtement intermédiaire se trouvant sur les tubes en acier et avec un habillage réfractaire placé cté four à la surface frontale de la pièce en fonte, caractérisé en ce que ladite pièce est en fonte faiblement alliée à graphite sphéroidal (fonte nodulaire) qui présente une teneur en silicium d'au moins 1,8%. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce est en fonte nodulaire qui contient 2,5 à 4,02/ de carbone, 2,1 à5,3% de silicium et magnésium et/ou cérium comme éléments constituants du graphite sphéroïdal 3 - Elément selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en fonte nodulaire comporte dans sa surface frontale, pour la mise en place de l'habillage réfractaire, des évidements parallèles au côté large de l1élément de refroidissement et dont la section droite s'évase en direction de ltintérieur de la pièce en fonte, l'habillage réfractaire étant introduit dans les évidements. 4 - Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que les évidements s'evasent en queue d'aronde. 5 - Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce qu'on a disposé entre la pièce en fonte nodulaire et le tube d'acier un revêtement intermédiaire à plusieurs couches, qui se compose de l'un des métaux : nickel, cobalt, argent, isolement ou en combinaison, et d'un oxyde métallique stable du côté de la pièce en fonte.