Brevet FR2398804A1 — publié le 19790223

La présente invention se rapporte à tous dispositifs, pouvant appartenir à des domaines industriels les plus divers, et qui, lors de leur utilisation, sont soumis à des contraintes thermiques sévères pouvant accélérer leur déterioration. En particulier, l'invention a trait aux dispositifs destinés à être plongés, au moins partiellement et de façon répétitive, dans un milieu porté à température élevée et susceptible, à ce titre, d'affecter leur durabilité. De tels milieux peuvent par exemple être de la matière en fusion, telle qu'un bain metallique, et notamment un bain d'acier. Les dispositifs considérés dans le cadre de la présente invention sont constitues, pour l'essentiel, d'un embout en matériau réfractaire éventuellement interchangeable, fixé à l'extrémité d'une tige metallique, et par une virole ou plus généralement, un empilage de viroles, egalement en matériau refractaire, enfilées sur la tige et formant un manchon de protection thermique. Les viroles réfractaires sont maintenues par des moyens de fixation habituels, par exemple un écrou ou une simple clavette, placés sur la partie terminale de la tige depassant de l'empilage et serrant, si necessaire, ce dernier sur l'embout pour éviter la présence de jeux entre les différents éléments réfractaires constitutifs de l'assemblage. De tels dispositifs peuvent, bien entendu être pleins ou présenter un conduit interne (tige creuse et embout percé axialement dans le prolongement de la tige). Dans le premier cas, on aura par exemple affaire à une quenouille de recipient métallurgique servant comme on le sait, à obstruer de l'intérieur un orifice de sortie du métal ménage dans le fond du récipient. L'autre cas peut notamment concerner une lance pour insuffler des produits gazeux contenant ou non des solides, au sein d'un bain métallique en fusion. I1 doit être cependant bien compris qu'il ne s'agit là que d'exemples em pruntés au domaine de l'élaboration des métaux et illustrant, dans le seul but de fixer les idées, des fonctions possibles des dispositifs concernés, mais que ces fonctions sont indifférentes à l'objet de l'invention, et que ce dernier s'attache uniquement aux conditions d'utilisation de ces dispositifs ainsi qu'à leur constitution, telles qu'elles ont éte toutes deux definies ci-avant. Lorsqu'on fait subir à de tels dispositifs des contraintes thermiques sévères, par exemple, lorsqu'on les plonge temporairement dans de l'acier en fusion, puis qu'on les expose à l'air ambiant pendant un temps suffisant pour leur permettre de se refroidir, et qu'on repete ce cycle plusieurs fois, comme c'est le cas pour les quenouilles au les lances précédemment évoquées, on constate, lors des premiers refroidissements, la formation de fissures transversales à la surface des viroles réfractaires, dans lesquelles du métal liquide peut stinfiltrer au moment de la plongee suivante.Ces fissures s'amplifient progressivement au cours des cycles répétitifs jusqu'à occasionner une pénétration à coeur de metal en fusion, provoquant ainsi la mise au rebut prematurée du dispositif ou, dans le meilleur des cas, le remplacement des viroles détruites. Le but de la présente invention est d'améliorer la durée de vie de tels dispositifs en remédiant en particulier aux inconvénients précités. Un but com plémentaire est de fournir une technique d'assemblage simple et rapide, facilitant les opérations de remplacement de l'embout. A cet effet, la presente invention a pour objet un dispositif destiné à être soumis, lors de son utilisation, à des contraintes thermiques sévères, et comprenant un embout en matériau réfractaire fixé à une extrémité d'une tige métallique, au moins une virole, également en materiau réfractaire, enfilée sur la tige et maintenue en contact sans jeu avec l'embout par des moyens de serrage places à l'autre extrémité de la tige, dépassant de la virole, et comprenant en outre des moyens de compression exerçant sur la virole une action antagoniste élastique. Conformément à une réalisation preférée de l'invention ces moyens sont indépendants de l'embout et de la tige, et sont composés - d'une partie passive fixée au système de manutention du dispositif, et constituee par un corps tubulaire métallique rigide, entourant la tige intérieurement à la virole, et présentant à son extrémité voisine de l'embout, une butée de support de la virole, sans contact avec l'embout, et à l'autre extrémité, dépassant de la virole, un épaulement constituant une surface d'appui poules moyens de serrage de la virole sur l'embout ; - et d'une partie active comprenant des organes à action antagoniste élastique comprimant la virole contre la butée de support, cette partie etant fixée sur l'extrémité du corps tubulaire depassant de la virole. Selon un mode de réalisation de l'invention, ces organes à action antagoniste sont constitués par un élement, ou un ensemble d'éléments, déformables élastiquement, et travaillant en compression, par exemple un ressort hélicoïdal ou un empilage de rondelles métalliques tronconiques bien connues dans le commerce sous la désignation de rondelles Belleville, ces éléments étant insérés entre la virole et une embase, par exemple un écrou, vissé sur le corps tubulaire. Conformément à une variante avantageuse, les moyens de serrage de la virole sur 1 'embout comprennent également des moyens à action antagoniste élastique, éventuellement constitués par des organes identiques à ceux utilisés pour la mise en compression de la virole. Par moyens, ou organes, à action antagoniste élastique, on entend désigner de façon générale tout systeme mecanique travaillant en compression et qui, agissant sur la virole, s'oppose par sa force élastique à toute déformation longitu dinale de la virole sous l'influence de forces étrangères résultant, comme on va le montrer, de phénomènes de dilatation thermique.Cesystème développe une force proportionnelle à sa propre déformation, et cette force ramène la virole à ses dimensions d'origine dès que cesse l'action des forces d'origine thermique. Il est à noter que pour des raisons de commodité et de clarté du texte, le terme "virole" a éte employé, et le sera encore par la suite dans sa forme singulière, Cette dernière ne traduit aucun caractère limitatif, en ce sens qu'elle ne préjuge en rien du nombre de viroles superposées pouvant être utili sées, l'invention etant bien entendu applicable tant à une virole unique qu'à un empilage de viroles. Au cours de ses observations, le demandeur s'est rendu compte que les fissures formées à la surface de la virole avaient pour origine des phenomenes de dilatation differentielle : lors de la plongee du dispositif dans un milieu porté à haute température, la virole réfractaire s'allonge sous l'effet de la dilatation. Par ailleurs, le refractaire se fragilise car, en raison de la presence d'un gradient thermique résultant de l'échauffement plus rapide de la périphérie que de la partie intérieure de la virole, cet allongement n'est pas uniforme sur toute 1 'épaisseur du réfractaire.Au cours de la periode de refroidissement du dispositif, le gradient thermique est inversé de sorte que la périphérie du refractaire, se contractant plus vite que l'intérieur, est soumise à des contraintes de traction dont elle se libere en se déchirant en surface, donnant lieu ainsi aux fissures précitées. Ces fissures restent ouvertes et vont en s'amplifiant au cours des cycles d'utilisation, suivant le même mécanisme, jusqu'à la rupture complete de la virole. Si le milieu dans lequel est périodiquement plonge le dispositif est de la matière en fusion, telle que l'acier liquide, celui-ci s infiltre alors progressivement dans toute l'épaisseur du réfractaire jusqu'à venir en contact avec la tige metallique interne et provoquer ainsi la mise au rebut du dispositif. Comme on l'aura dejà compris, la présente invention consiste dans ses caractéristiques essentielles à doter les dispositifs de type connu d'un systeme "compensateur de dilatation" exerçant une compression élastique sur la virole, de façon permanente ( chaud et à froid) et autonome, c'est-à-dire indépendamment des moyens de serrage de la virole sur l'embout. L'invention permet ainsi - d'une part, grâce à la précontrainte initiale à laquelle est soumise la virole, de contrarier la formation de fissures, - d'autre part, grâce à l'action antagoniste élastique de cette précontrainte, de suivre l'évolution à chaud du réfractaire, puis au refroisissement, de refermer les fissures qui se seraient quand même formées. Par "refermer" on entend, bien entendu, non pas la disparition des fissures, mais le serrage de leurs lèvres de manière à les rendre jointives et empêcher ainsi l'infiltration de matitre en fusion. D'autre part, les moyens de serrage de la virole sur l'embout, au lieu de demeurer ce qu'ils étaient auparavant, peuvent être perfectionnés conformément à une variante de l'invention, de maniere à exercer, eux aussi, une action de compression clastique. Dans ce cas, on permet à l'embout de suivre également les évolutions possibles du dispositif, et ceci indépendemment du comportement du manchon réfractaire constituant la virole. On réalise ainsi un dispositif à double systeme de compensation de dilatation, travaillant chacun pour leur compte, sans interaction entre eux. Lorsque le dispositif est une lance d'insufflation immergée dans un bain métallique, un autre avantage de l'emploi de viroles précontraintes réside dans une tenue mecanique améliorée du réfractaire, lequel se trouve soumis à des efforts alternés de traction et de compression, résultant, comme on le sait, de phénomènes d'oscillations de la lance sous l'effet des mouvements du bain engendrés par le jet d'insufflation. Dans sa forme de réalisation préférée, consistant à munir le dispositif d'une partie "passive" indépendante de la tige et de l'embout, et de fixer cette partie (et en particulier le corps tubulaire rigide) au système de manutention du dispositif, l'invention présente un avantage supplémentaire résidant dans la facilité des opérations de remplacement de I'embout, celles-ci pouvant s'exécuter en conservant l'orientation verticale que possède le dispositif durant ses cycles dtutilisation. L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaitront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence à la figure unique annexée représentant une vue interrompue, en coupe longitudinale, d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Cet exemple est constitué par une lance d'insufflation de produits d'affinage, destinée à être plongée verticalement dans un recipient métallurgique contenant une masse d'acier liquide. La lance comprend un embout en réfractaire 1 visse à l'extrémité d'une tige métallique creuse 2 par l'intermédiaire d'un ajutage métallique interne 3. Cet ajutage définit avec la tige un conduit central 4 pour le passage des produits insufflés, dans le sens indique par la fleche. Le corps de lance, destne'à être plongé dans l'acier liquide, est entouré d'un manchon protecteur 5, (décrit plus en détail par la suite) comprenant un empilage de viroles réfractaires 6 en contact sans jeu avec l'embout 1. Le serrage de l'empilage de viroles contre l'embout est assuré par des moyens 7 disposés sur la partie terminale haute de la tige dépassant du manchon 5.. Ce manchon 5 constitue un systeme à viroles précontraintes soumise à une action antagoniste élastique. A cet effet, le manchon est composé d'une partie passive constituée par un corps tubulaire métallique rigide 8 disposé intérieurement à l'empilage de viroles 6 et supportant ce dernier au moyen d'une butée annulaire 9 disposée à son extrêmite basse. L'extrémité haute du corps 8 présente un épaulement circulaire 10 servant de surface d'appui aux moyens de serrage 7. Sur la partie terminale haute du corps tubulaire 8 dépassant des viroles, se trouve la partie active du systeme de compression élastique.Cette partie est realisee par l'association d'une embase circulaire 11 (constituée d'un écrou) vissée sur le corps 8 au moyen de poignées 12, et d'un empilage de rondelles Belleville 13 comprimant les viroles 6 contre la butee 9 par l'intermédiaire d'un flasque annulaire 14 pour une meilleure répartition des efforts. Ce flasque assure également le centrage de l'ensemble, rendu nécessaire par la présence d'un jeu 15 entre le corps tubulaire 8 et l'empilage de viroles 6. Comme on le voit, le flasque 14 comporte en outre un capot annulaire 16 pour la protection des rondelles. A la partie haute de la tige creuse 2, les moyens de serrage 7 de l'empilage ge de viroles sur l'embout sont egalement à action antagoniste élastique. A cet effet, ils sont constitués par un ensemble d'organes similaires à la partie active du système de compression des viroles précédemment décrites, à savoir, par l'association d'une embase 17 constituée par un écrou vissé sur la tige 2 et d'un empilage de rondelles Belleville 18 exerçant leur action sur l'épaulement 10. De même que précédemment, l'empilage de rondelles 18 est protégé par un capot annulaire 19 prolongeant à angle droit l'épaulement 10. En se reportant maintenant à la base de l'empilage de viroles 6, on voit que la butée de support 9 est réalisée au moyen d'une collerette ménagee à l'extrémité du corps tubulaire 8 et prenant position dans un dégagement du refractaire, conforme de maniere que la butée 9 ne fasse pas partie du joint de serrage en mullite 20 entre l'empilage de viroles et l'embout. Dans le cas contraire, on comprend bien que la présence de la butée 9 devient sans objet, l'embout réfractaire 1 devant alors supporter, en plus de l'effort de serrage avec l'empilage de viroles 6, le poids de cet empilage ainsi que l'effort de compression élastique auquel ce dernier est soumis. Il est clair que dans le cas de lances de grande longueur, on ne peut se permettre cela pour des raisons de tenue mecanique de l'embout. L'ensemble de la lance est fixé au systeme de manutention, partiellement représenté par le bras horizontal 21, par l'intermédiaire du corps tubulaire.8. Cette disposition permet de faciliter les apérations de remplacement de llem- bout : il suffit pour cela de dévisser suffisamment les moyens de serrage 7 pour que, par le simple jeu de la pesanteur, l'embout se désolidarise du réfractaire du corps de lance. Le dévissage de l'embout à l'extrémité de la tige 2 peut alors s'effectuer sans risques de dégradation de la surface du joint 20 par friction entre le réfractaire de l'embout et de la virole 6. Une autre façon de changer l'embout consiste à remplacer l'ensemble constitué par la tige 2 et embout, en retirant cet ensemble vers le bas après avoir dégagé complètement les moyens de serrage 7. Comme on le comprend bien, l'action antagoniste élastique exercée par les rondelles Belleville 14 se superpose à la précontrainte initiale, mais ces deux efforts peuvent être réglés independamment l'un de l'autre. Le premier peut s'apprécier à partir du nombre de millimètres de compression, calculé par le produit du nombre de rondelles par leur hauteur unitaire, le second dépendra du degre de vissage de l'embase 11 sur le corps 8, l'embase pouvant être bloquée en rotation à la position voulue par tout moyen approprié de la technique courante. Il est clair que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais s'étend à tout moyen de compression, quels que soient sa forme, fonctionnement au agencement sur le dispositif, dans la mesure où sa fonction consiste à exercer sur la virole, ou l'empilage de viroles réfractaires, une action antagoniste elastique. Il en est ainsi par exemple du remplacement possible de l'empilage de rondelles Belleville par un ressort hélicoidal. Il en est de même de l'organisation de l'empilage de ces rondelles, celles-ci pouvant être emboitees les unes dans les autres ou toutes disposées en quinconce (tête à tête) comme le montre la figure, ou encore selon l'une quelconque des combinaisons possibles entre ces deux extrêmes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif destine à être soumis, lors de son utilisation, à des conditions thermiques sévères, et comprenant un embout en materiau refractaire fixe à une extrêmite dtune tige métallique, au moins une virole, également en materiau refractaire, enfilée sur la tige et maintenue en contact sans jeu avec l'embout par des moyens de serrage placés à l'autre extrémité de la tige dépassant de la virole, et caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de compression exerçant sur la virole une action antagoniste élastique. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de compression à action antagoniste élastique sont indépendants des moyens de serrage de la virole contre l'embouts et sont composés: - d'une partie passive constituée par un corps tubulaire rigide entourant la tige intérieurement à la virole, et presentant à son extrémité voisine de l'embout une butée de support pour la virole, sans contact avec l'embout, et à l'autre extrémité, depassant de la virole, un épaulement constituant une surface d'appui pour les moyens de serrage de la virole contre l'embout - et une partie active comprenant des organes à action antagoniste élastique, comprimant la virole contre la butée de support, cette partie etant placée sur l'extrémité du corps tubulaire dépassant de la virole. 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits organes à action antagoniste élastique sont constitués par des éléments déformables élastiquement, travaillant en compression et insérés entre la virole et une embase circulaire visse sur l'extrémité du corps tubulaire. 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il est fixé à son système de manutention par l'intermédiaire de l'extrémité du corps tubulaire depassant de la virole. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que les moyens de serrage de la virole sur l'embout comprennent également des organes à action antagoniste élastique. 6 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits organes à action antagoniste élastique sont constitués par des éléments déformables élastiquement, travaillant en compression et insérés entre l'épaulement présent à l'extrémité du corps tubulaire et une embase circulaire vissée sur l'extrémité de la tige. 7 - Dispositif selon les revendications 3 et 6 caracterisé en ce que lesdits éléments sont constitués par un ressort helicoïdal. 8 - Dispositif selon les revendications 3 et 6 caractérisé en ce que lesdits éléments sont constitués par un empilage de rondelles métalliques tronconiques.