Brevet FR2422126A1 — publié le 19791102

La présente invention concerne le domaine des équipements thermiques de la métallurgie et a notamment pour objet des éléments refroidis tubulaires des fours métallurgiques tels que des fours continus à réchauffer équipés d'une installation de refroidissement par vaporisation, ainsi que les fours métallurgiques comportant de tels éléments. On connatt des éléments refroidis tubulaires de four métallurgique, comprenant des tubes refroidis droits constituant une structure porteuse comportant des portions horizontales de grande longueur (jusqu'à 25m) et de diamètre relativement grand (diamètre intérieur jusqu'à 200mm). Dans 1'espace intérieur de ces tubes (quand le diamètre est supérieur à 90 mm) sont disposées des pièces addtionnelles d'insertion telles que des barres ou tiges métalliques, dites insetBIr ce qui permet de réduire le débit de circulation de l'agent de refroidissement (poids de 1' agent de reMnidSsement tmv nt la section de passage de l'élément refroidi tubulaire par unité de temps), tout en améliorant la qualité du refroidissement des tubes.Dans cette structure connue, l'écartement entre la surface extérieure de la pièce d'insertion et la surface intérieure du tube dans lequel elle est placée est le même sur toute la longueur du tube. Toutefois, les principales difficultés que l'on doit résoudre, si l'on veut obtenir un bon fonctionnement des tubes horizontaux pour le refroidissement par vaporisation sont : le suppression du décollement de la veine d'agent de refroidissement dans la zone d'ébullition, quand l'agent de refroidissement n'a pas encore atteint la température d'ébullition ; la suppression du décollement dans la zone de début d'ébullition ; et la suppression de la surchauffe de la zone de la génératrice supérieure des tubes. Etant donné que le critère principal d'un refroidissement fiable de ces portions des tubes horizontaux est la vitesse de circulation, et que les valeurs de la vitesse de circulation admissible dans les portions initiales et finales des tubes sont différentes, il s'ensuit que du fait de l'écartement constant entre la surface extérieure de la pièce d'insertion et la surface intérieure du tube dans lequel elle se trouve, la vitesse de circulation dans la portion finale est bien plus grande que la vitesse admissible pour un refroidissement de haute qualité de cette portion du tube. Ceci résulte du fait que la croissance de la vitesse de l'agent de refroidissement au fur et à mesure de son mouvement dans l'élément refroidi tubulaire, due à ltaugmentation du taux de vapeur avec l'augmentation de la charge thermique, entrain un abaissement de la vitesse de circulation admissible. Il s'ensuit une augmentation considérable et injustifiée de la résistance à l'écoulement, ne permettant pas d'assurer les valeurs requises de la vitesse de circulation dans la portion initiale de l'élément refroidi tubulaire, et abaissant donc la qualité du refroidissement. Pour créer des circuits de circulation à valeurs proches des charges thermiques totales, les tubes refroidis droits formant l'élément refroidi tubulaire sont raccordés deux par deux par un tube de raccordement cintré. Les pièces d'insertion mentionnées plus haut n'étant montées que danses portions droites des tubes, il s'ensuivait des solutions de continuité desdites pièces, qui perturbaient les paramètres hydrodynamiques de la veine aux endroits où l'agent de refroidissement passait d'un tube droit à un tube de raccordement cintré, ce qui provoquait la dégradation de la partie supérieure des tubes de raccordement cintrés. L'emploi de tubes de raccordement cintrés à section droite réduite a diminué, mais n'a pas complètement supprimé, les dégradations produites, par suite du risque d'obstruction de la section du tube de raccordement cintré en cas de décalage de la pièce d'insertion et de la présence d'une zone de transition située entre le tube droit et le tube de raccordement cintré et dont la section droite est bien plus grande que celle du tube de raccordement cintré. Un autre inconvénient de la structure considérée réside dans la présence d'un grand nombre de soudures devant répondre à des prescriptions de qualité sévères (pression dans le circuit jusqu'à 45 atm, charges dynamiques important. Vu les inconvénients indiqués plus haut, il n'était pas toujours possible d'assurer les Vitesses nécessaires de circulation de l'agent de refroidissement. Dans la pratique de l'utilisation de telles installations, la majorité des endommagements des éléments refroidis tubulaires se produisaient dans les portions horizontales initiales, dans la zone de la génératrice supérieure du tube. Aux endroits endommagés on constatait un amincissement, une déformation (renflement) et une perforation de la paroi du tube, témoignant d'une corrosion par la vapeur, due à la surchauffe résultant de la vitesse insuffisante de circulation de l'agent de refroidissement. Le but de la présente inventinn est de supprimer les complications indiquées. On s'est proposé pour cela de créer des éléments refroidis tubulaires de fours métallurgiques, dont la forme et les proportions dimensionnelles permettraient d'améliorer la qualité de leur refroidissement, leur fiabilité et leur longévité, d'abaisser la consommation de métal pour la fabrication des canalisations et de simplifier la fabrication des tubes de raccordement cintrés. La solution consiste en des éléments refroidis tubulaires de four métallurgique, comprenant des tubes refroidis droits dans l'espace intérieur de chacun desquels est placé coaxialement une pièce d'insertion et dans lesquels, d'après l'invention, la section droite de ladite pièce d'insertion va en décroissant dans le sens de circulation de l'agent de refroidissement. Une telle réalisation de la pièce d'insertion permet de diminuer la résistance à l'écoulement dans la zone des taux de vapeur moyens et élevés, et par conséquent d'obtenir une amélioration de la qualité du refroidissement, une amélioration de la fiabilité et de la durée de vie des éléments refroidis tubulaires. Il est avantageux de réaliser la pièce d'insertion en plusieurs parties raboutées. On simpl-ifie ainsi sa fabrication, surtout quand sa longueur dépasse ?Om. Il est préférable que l'écartement entre la surface extérieuredehpièce d'insertion et la surface intérieure du tube dans lequel elle est placee varie dans une plage de 12 à Omm. Ceci assure un accroissement de la vitesse de circulation de l'agent de refroidissement et une amélioration de la qualité du refroidissement des portions qui se trouvent dans les conditions les plus défavorables et qui sont le plus souvent sujettes aux endommagements, ainsi que le maintien de la vitesse de l'agent de refroidissement à des valeurs suffisantes dans les autres portions. Il est préférable de raccorder les tubes refroidis droits deux par deux par l'intermédiaire d'un tube de raccordement cintré, et de placer dans celui-ci, suivant son axe longitudinal, une pièce d'insertion qui l'on raboute aux pièces d'insertion des tubes refroidis droits, les tubes raboutés entre eux étant d'un même diamètre, et les pièces d'insertion raboutées entre elles étant elles aussi d'un même diamètre à leurs jonctions. On obtient ainsi une veine de refroidissement à structure plus finement divisée et une amélioration du refroidissement des tubes refroidis droits raboutés au tube de raccordement cintré Dans le cas où le tube de raccordement cintré est chauffé, on obtient aussi une amélioration de la qualité du refroidissement et de la fiabilité en fonctionnement dutibe de raccordement cintré. Il est avantageux de décaler la jonction de chaque tube refroidi droit avec le tube de raccordement cintré par rapport à la jonction de sa pièce d'insertion avec la pièce d'inser-tion placée dans le tube de raccordement cintré. On obtient ainsi une simplifiôàtion ;de la fabrication et du montage des pièces d'insertion. On peut, dans chaque paire de pièces d'insertion raccorder celles-ci entre elles à l'aide d'un ergot métallique et d'un logement réalisés respectivement sur les portions à rabouter des pièces d'insertion. On rend ainsi plus commode le montage et le démontage des éléments refroidis tubulaires avec les tubes de raccordement cintrés. Pour une meilleure compréhension de l'invention, un exemple non limitatif de réalisation des éléments refroidis tubulaires d'un four métallurgique va être décrit dans ce qui suit, avec référence au dessin unique annexédbns lequel - la figure 1 est une vue en coupe partielle, suivant leur axe longitudinal, des éléments refroidis tubulaires, avec des interruptions et des arrachements partiels - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle avec arrachements, d'un tube droit avec sa pièce d'insertion pourvue d'un ergot dans la zone de jonction, et un tube de raccordement cintré dont la pièce d'insertion comporte un logement pour ledit ergot - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle, avec arrachement, d'un tube droit et d'un tube de raccordement dans lesquels sont placées les pièces d'insertions respectives comportant des ergots de centrage. Les éléments refroidis tubulaires de four métallurgique se présentent sous forme de tubes droits 1 et 2 (figure 1), dans le canal ou espace intérieur 3 de chacun desquels sont respectivement placés des pièces addtionnelles d'insertion coaxiales 4 et 5, dites "inserts", dont la section droite décroît dans le sens de circulation de l'agent de refroidissement (indiqué par les flèches A). Pour rendre la fabrication commode, la pièce d'insertion 5 est constituée de parties 6 et 7 raboutées l'une à l'autre. Entre la surface extérieure de la pièce d'insertion 4 et la surface intérieure du tube 1 dans lequel est placée cette pièce, il reste un écartement 8. La valeur de l'écartement 8 peut osciller dans la plage de 12 à 30 mm, selon les paramètres de l'agent de refroidissement. Dans le cas où les deux tubes droits 1 et 2 sont raboutés à un tube de raccordement cintré 9, suivant l'axe longitudinS duquel est place une pièce d'insertion 10, les pièces d'insertion 4 et 5 placées dans les tubes 1 et 2 sont raboutées à la pièce d'insertion 10 placée dans le tube de raccordement 9. Les tubes 1, 2 et 9 raboutés entre eux sont de même diamètre. La jonction Il entre chacun des tubes refroidis droits 1 et 2 et le tube de raccordement cintré 9 est décalée par rapport à la jonction 12 de sa pièce d'insertion 5 avec la pièce d'insertion 10 placée dans le tube de raccordement cintré 9. A leurs jonctions 12, les pièces d'insertion 5 et 10 sont d'un même diamètre (ou d'une même section droite, si celle-ci n'est pas ronde). Pour rendre commodes les travaux de montage et de démontage au niveau de la jonction des pièces d'insertion 5 et 10 placées respectivement dans les tubes 2 et 9, il est prévu un ergot ou saillie analogue 13 (figure 2) réalisé sur la pièce d'insertion 5, et un logement 14 réalisé dans la pièce d'insertion 10 pour l'ergot 13. Pour le centrage des pièces d'insertion 5 et 10 il est prévu des ergots 15 (figure 3) disposés avec un certain espacement sur les surfaces extérieures respectives des pièces 5 et 10. Le four comporte plusieurs paires de tubes droits 1 et 2 analogues à ceux décrits et raccordés par un tube 9. Les éléments refroidis tubulaires fonctionnent de la façon suivante. Un agent de refroidissement est admis dans l'écartement circulaire 8 (figure 1) formé dans le tube refroidi droit 1 à l'aide de la pièce d'insertion 4, et circule dans le sens des flèches A. Dans le sens de circulation de Imagent de refroidissement les éléments refroidis tubulaires se divisent, du point de vue technologique, en trois tronçons. Le premier tronçon comprend la partie du tube refroidi droit 1 parcourue par l'agent de refroidissement n'ayant pas encore atteint sa température d'ébullition. Dans cette partie, l'agent de refroidissement commence à bouillir. Le second tron6on-des éléments refroidis tubulaires comprend la zone d'ébullition modérée de l'agent de refroidissement ; il comprend la fin du premier tube droit 1, le tube de raccordement cintré 9 et le commencement du tube droit 2. Le troisième tronçon comprend la zone où le taux (teneur) de vapeur de l'agent de refroidissement est élevé et comprend le milieu et la fin du tube droit 2. En accord avec la division technologique adoptée des tubes refroidis 1, 9 et 2 et des pièces d'insertion 4, 10 et 5, la valeur de l'écartement 8 entre les parois intérieures des tubes refrodis 1, 9 et 2 et les surface extérieures des pièces d'insertion respectives 4, 10 et 5 est de 12 à 18 mm pour le premier tronçon, de 18 à 25 mm pour le second et de 25 à 30 mm pour le troisième, le rapport du diamètre intérieur des tubes refroidis droits au diamètre extérieur des pièces d'insertion étant choisi dans les plages suivantes : de 1,2 à 1,4 pour le premier tronçon, de 1,4 à 1,6 pour le second et de 1,6 à 2,Ô pour le troisième. Les résultats des essais ont montré ltefficacité des solutions techniques mises en oeuvre dans la présente invention, la possibilité d'abaisser notablement la résistance à l'écoule- ment et d'accroStre la vitesse~de l'agent de refroidissement dans la portion initiale de l'élément refroidi tubulaire. L'invention permet d'obtenir les valeurs optimales des vitesses de l'agent de refroidissement, un accroissement du débit de circulation et une qualité améliorée du refroidissement. En outre, on peut utiliser des circuits de refroidissement avec des réservoirs-séparateurs éloignés, conserver une section droite constante dans le tube de raccordement cintré, ce qui est favorable à son bon fonctionnement, réduire le nombre de soudures aux jonctions des tubes droits avec le tube de raccordement cintré, ce qui est un facteur très important, car les installations de refroidissement par vaporisation des fours métallurgiques travaillent sous des pression effectives pouvant aller jusqu'à 45 atm et subissent l'action de fortes charges dynamiques. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, Si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Eléments refroidis tubulaires de four métallurgique, du type comprenant des tubes refroidis droits dans ltespace intérieur de chacun desquels est placé coaxialement une pièce additionnelle d'insertion respective, caractérisés en ce que la section droite desdites pièces d'insertion va en décroissant dans le sens de circulation de ltagent de refroidissement. 2. Eléments refroidis tubulaires selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce d'insertion est constituée de plusieurs parties raboutées entre elles. 3. Eléments refroidis tubulaires selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisés en ce que l'écartement entre la surface extérieure de la pièce d'insertion et la surface intérieure du tube dans lequel elle est placée se situe dans la plage de 12 à 30 mm. 4. Eléments refroidis tubulaires selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que les tubes refroidis droits sont raccordés deux par deux à un tube de raccordement cintré à l'intérieur duquel est placé, suivant son axe longi- tudinal, une pièce d'insertion précitée, raboutée à chacune de ses extrémités à la pièce d'insertion du tube refroidi droit correspondant, les tubes ainsi raboutés entre eux étant d'un même diamètre, et les pièces d'insertion ainsi raboutées entre elles étant o dtn meme diamètre aux endroits de leurs jonctions. 5. Eléménts refroidis tubulaires selon la revendication 4, caractérisés en ce que la jonction entre chaque tube refroidi droit et le tube de raccordement cintré correspondant est décalée par rapport à la jonction entre la pièce d'insertion dudit tube droit et la pièce d'insertion placée dans ledit tube de raccordement cintre. 6. Eléments refroidis tubulaires selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que les pièces d'insertion sont rabotées entre elles à l'aide d'un ergot métallique ou saillie analogue prévu à l'extrémité de l'une d'elles et d'un logement ménagé à l'extrémité de la pièce dtinsertion adjacente et recevant ledit ergot. 7. Eléments refroidis tubulaires selon l'une des revendications précédentes, caractérisés en ce que les pièces d'insertion comportent sur leurs surfaces extérieures respectives des ergots ou saillies analogues de centrage, disposés avec un certain espacement entre eux. 8. Dispositifs de refroidissement de four métallurgiqae, du type comportant des éléments tubulaires refroidis notamment par des moyens de refroidissement par vaporisation, caractérisé en ce que lesdits éléments sont conformes à l'une des revendications 1 à 7. 9. Four métallurgique, notamment un four continu de chauffage, caractérisé en ce qu?il comporte des éléments tubulaires refroidis conformes à l'une des revendications 1 à 7.