Brevet FR2429762A1 — publié le 19800125

Le traitement de la houille dans un four à coke consiste à porter celle-ci à haute température et, afin que toute la masse de houille soit chauffée, on fractionne le four en plusieurs chambres relativement très étroites par rapport à leur hauteur et à la leur longueur. Chacune de ces chambres est déterminee par des parois et les gaz chauds circulent à l'ex- térieur de ces parois. On dispose alternativement une chambre pour la houille et une chambre pour la circulation de gaz chauds de sorte que l'ensemble ainsi formé s'apparente à un très grand échangeur de chaleur, ce qui signifie que chaque paroi doit à la fois être réfractaire pour supporter les hautes températures voulues et conductrice pour que la chaleur des gaz puisse être transmise à la houille à travers ces parois. Cet ensemble de chambres nommé dans la pratique "piedroits chauffants" est situé au-dessus d'un second ensemble de chambres dans lesquelles sont placés des materiaux accumulateurs de chaleur et à travers lesquels circulent alternativement les gaz et l'air de combustion afin de récupérer la chaleur des gaz et d'économiser le combustible. Les chambres de ce second ensemble sont appelées "régénerateurs". Entre les piedroits chauffants et les régénérateurs, se trouve une zone de raccordement appelée "partie intermédiaire". Pour simplifier la description et rendre claire la porté de l'invention, on appelera partie active d'un four à coke tout l'ensemble piedroits chauffants - partie intermédiaire - regénérateurs, et non pas seulement les piedroits eux-mêmes, par opposition aux annexes qui, bien qu'indispensables au fonctionnement d'un four à coke, ne constituent que des accessoires non soumis aux conditions rigoureuses spécifiques de la cokéfaction (conduites, goulottes, etc...). Les températures qui règnént dans les différentes parties d'un four à coke décrites ci-dessus s'échelonnent de 1.500 degrés environ dans la partie superieure à 300 degrés environ dans la partie la plus basse des régénérateurs. Or, l'exploitation d'un four à coke est discontinue et, cela, de deux manières - Toutes les douze ou vingt quatre heures, le coke chaud (900 à 1.100"C) est sorti du four (fin de cycle) et remplacé par du charbon generalement froid et humide (début de cycle); - Toutes les dix à trente minutes, le chauffage est "inversé", c'est-à-dire que les chambres de régénérateurs dans lesquelles se développait la flamme reçoivent des gaz chauds et vice-versa. On conçoit que de telles conditions d'utilisation sont extrèmement sévères à l'égard des matériaux qui constituent les parois de ces ensembles. Non seulement les températures maximales sont très élevées mais, en plus, la différence à chaque cycle entre les temperatures maximales et minimales est ellemême tres grande. En outre, l'architecture générale est extre mement complexe et implique la présence d'un tres grand nombre de parois, de voûtes, de chambres, etc...Les matériaux aptes à résister à des températures élevées, a de grandes variations de températures et à d'importants efforts mécaniques, doivent aussi résister pendant longtemps aux agressions chimiques, telles que corrosion, réduction, etc... specifiques aux fours à coke. A cela s'ajoute le problème de la dilatation que de telles températures provoquent obligatoirement sur les materiaux. Il faut donc que les formes des parois soient bien adaptees au coefficient de dilatation des matériaux, que l'on connaît, et que l'on doit prendre en compte pour garantir un usage normal du four à coke. Jusqu'à maintenant, on a réalisé les fours à coke au moyen d'éléments relativement petits tels que des briques auxquelles on donne des formes adaptées aux parties du four qu'elles doivent constituer, compte tenu des conditions locales de service à I'endroit où elles doivent être placees. Or, faute de pouvoir leur donner un volume important ou des formes complexes, on est obligé de fractionner une partie donnee en de multiples petits éléments que l'on nomme "pieces de formes" ou "briques de formes". De plus, il ne suffit pas de faire varier la forme des briques mais il faut choisir des matériaux ayant des caractéristiques différentes selon qu'il s'agit des piédroits chauffants ou des parois des régénérateurs par exemple, c'est-à-dire selon les conditions de service. Dans l'état actuel de la technique, un four à coke est réalisé avec des pièces qui sont façonnées. Pour cela, on constitue un mélange du type "pâte sèche" à partir de composants refrac- taires et d'eau, on presse ou l'on dame ce melange dans des moules puis, apres démoulage et sechage, on cuit ces pièces pour leur donner in fine toutes les caractéristiques aptes à leur usage. Lorsque ces pièces ont des dimensions relativement importantes et/ou ont des formes compliquées, le façonnage est, obligatoirement, réalise par damage. Cela entraîne des reprises de mélange entre les diverses couches nécessaires à la réalisation de l'épaisseur voulue et, donc, des hétérogé- néités de structure. Les caracteristiques physiques de ces pièces sont inférieures à celles constatées sur des pieces simples de petit format mises en forme par pressage classique. L'aptitude à la cuisson de telles pièces, en général massives, est très limite du fait même de l'hétérogénéité due à la mise en forme. C'est pourquoi jusqu'à ce jour, il a eté pratiquement impossible de réaliser des pieces de dimensions importantes, c'est-à-dire, pour fixer les idees, d'un volume égal à plus de trois fois celui d'une pièce ou "brique" moyenne. Cette difficulté est encore accrue si ces pièces doivent avoir des formes complexes. En effet, dans un cas comme dans l'autre, les contraintes internes sont telles que la cuisson de ces pièces provoque frequemment des fissures, des ruptures, etc... et, par consequent, de nombreux rebuts de fabrication. Parmi les matériaux que l'on utilise pour constituer ces pièces, on trouve la silice qui, après cuisson, constitue un matériau réfractaire particulièrement bien approprié aux fours à coke. Cependant, le type de silice utilise à l'inconvénient de présenter une dilatation irréversible extrèmement importante lorsqu'on la cuit. En effet, lorsqu'une piece obtenue à partir de cette silice crue est portée à sa température de cuisson (1.50C degrés environ) on observe une dilatation de l'ordre de 5% puis, lorsque cette piece est ramenée à la température ambiante, on observe un retrait de l'ordre de 1,5 % de sorte que, finalement, les dimensions d'une piece cuite sont "dilatées" d'environ 3,5 % par rapport à ce qu'elles etaient avant cuisson. On comprend ainsi pourquoi il est impossible de fabriquer un four à coke par coulage sur place, dâns des coffrages, d'un béton d' une telle silice crue, selon la méthode classique des constructions de génie civil. En effet, cette maçonnerie, pratiquement monolithique, devrait être progressivement chauffee jusqu'à environ 1.500 degrés pour obtenir 1 'évaporation des résidus d'eau de gâchage et la cuisson de la silice. Or, dans une telle hypothese, l'ensemble de la maçonnerie devrait se dilater de 5% sans aucune deformation ni fissure. Ceci est absolument irréaliste et ne peut donc pas être envisagé. C'est pourquoi, la technique actuelle demeure celle qui consiste à assembler des briques de petites dimensions cuites individuellement avant leur mise en place. Or, l'assemblage de petites pièces précuites présente des inconvénients marqués, parmi lesquels on peut citer la nécessité de prévoir jusqu'à mille formes différentes pour construire un four à coke moderne. Lorsque l'on sait que chaque four à coke implique une étude spécifique et qu'il est très difficile d'utiliser des pièces standard, on comprend l'intérêt qu'il y aurait à diminuer le nombre de formes de pièces et, par conséquent, le nombre de moules à créer dans chaque cas. En outre, plus le nombre de pièces à assembler augmerte, plus le coût de main d'oeuvre s 'élève La presente invention remédie à l'ensemble des inconvénients in diqués ci-dessus et constitue donc un progrès important dans la construction des fours à coke. L'invention sera bien comprise par la description détaillée ci après de modes de réalisation différents mais, bien entendu, cet te description n'est donnée qu'à titre d'exemple indicatif et non limitatif. La figure unique du dessin est un diagramme qui montre schemati quement la variation du taux de dilatation d'une pièce obtenue à partir de silice crue et illustre un problème technique impor tant auquel se réfère la description. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on commence par préparer un béton réfractaire à partir d'un liant et d'un agrégat de silice crue. Pui-s, on gâche cet ensemble avec de l'eau pour obtenir un mélange qui peut être introduit dans des moules de formes complexes et de grandes dimensions. Ce melange est alors vibré ce qui permet d'utiliser une faible quantité d'eau de gâcha ge et malgré cela de remplir efficacement les moules, tout en évitant les contraintes internes et les hétérogénéités de structu re que l'on rencontre dans le cas du pressage et, surtout, du damage. Les pièces, ainsi mises en forme, sont démoulées puis, après un certain temps, sont séchées par étuvage pour éliminer la plus grande partie de l'eau de gâchage apres quoi elles sont cuites. L'absence de contraintes et d'hétérogénéité procure une grande sécurité de cuisson et l'on a moins à redouter les fissures et les détériorations des angles et des arêtes. Ces pièces constituent des éléments préfabriqués pour la réalisa tion d'un four à coke. On comprend que ces éléments préfabriqués peuvent avoir des dimen sions plus importantes et des formes plus complexes que celles des pièces obtenues avec les techniques du pressante et du damage. On a représente sur le dessin un graphique montrant la courbe de dilatation d'une piece en beon de silice crue, d'une part au cours de sa cuisson et, d'autre part, quand elle est soumise des variations de température après sa cuisson (cycle de fonctionnement du four). On voit qu'une pièce réalisée à partir d'un béton de silice crue commence par se dilater d'environ 1,5% lorsqu'on la chauffe depuis la température ambiante jusqu'à environ 600 degrés (segment A de la courbe) puis que, à partir d'environ 600 degrés jusqu'à environ 1.150 degres cette dilatation est pratiquement nulle et correspond à un palier (segment B de la courbe), puis que depuis envi ron 1.150 degrés jusqu'à environ 1500 degrés, la dilatation passe très rapide ment d'environ 1,50 % à environ 5% (segment C de la courbe). L'explication scientifique de ces variations est bien connue de l'Homme de l'Art, et n'a pas à être developpee ici. On se contentera de rappeler que le fait de porter la silice à sa température de cuisson provoque la transformation du quartz de base en tri dymi te et/ou en cristobalite. La pièce est maintenue à sa température de cuisson pendant le temps nécessaire puis, ensuite, elle est refroidie lentement pour revenir à la température ambiante. Au cours de ce refroidissement, on observe que les dimensions de la pièce restent sensiblement constantes depuis la tempeture de cuisson jusqu'à environ 650 degres (segment D de la courbe), puis que ces dimensions diminuent assez rapidement depuis 600 degrés environ jusqu'à la température ambiante pour atteindre des valeurs qui sont d'environ 3*504 supérieures à celles de la même piece avant cuisson (segment E de la courbe). Les dimensions des moules doivent donc être calculées de telle manière que l'on obtienne bien les dimensions voulues après cuisson. En d'autres termes, les dimensions de la pièce coulée sont inférieures d'environ 3,5 % à celles de la pièce cuite puis refroidie. Lorsqu'une telle pièce est ensuite mise en place et assemblée avec les autres pièces au moyen d'un coulis, elle sera soumise à nouveau à des temperatures elevees qui sont celles de la température du four. On sait qu'une telle pièce va, à nouveau, se dilater mais, seulement, d'environ 1,50 % c'est-à-dire que cette dilatation dite "réversible" sera de l'ordre de 1,50 % (segment E et D de la courbe) à la temperature d'utilisation. En fonction du cycle de fonctionnement du four, la dilatation et la contraction se feront selon les segments D - E et E - D alternativement et,cela, en relation avec les températures réelles auxquelles les pièces sont soumises. On a soin de choisir très précisémment les composants specifi- ques du beton pour que le palier (segment D) se situe au niveau des températures du four en fonctionnement à l'endroit où les pièces doivent être placées, af.n d'éviter au maximum que leur dilatation (et/ou leur contraction) atteigne les valeurs du segment E. Grâce au procédé selon l'invention, on peut donc constituer des fractions importantes de maçonnerie, c'est-à-dire qu'au lieu de prevoir de tres nombreuses petites pièces élémentaires, on peut réaliser des sous-ensembles entiers de parois qui sont en quelque sorte préfabriqués et qui peuvent être judicieusement conçus pour tenir compte non seulement des formes des parois, mais également de l'emplacement de ces sous-ensembles eu égard aux sollicitations thermiques et/ou mecaniques qu'ils doivent supporter. Pour parvenir à réaliser l'invention, il faut choisir les composants de base avec beaucoup de soins pour parvenir, d'abord, à un bon breton qui permet la réalisation de pièces crues excellentes conduisant,après cuisson, à des pièces parfaitement adaptées à leur emploi dans des fours à coke. Selon l'invention, les pièces coulées, vibrees, démoulées et étuvées, (mais crues, c'est-à-dire avant cuisson) ont les caracteristiques suivantes après étuvage - Masse volumique apparente................ supérieure à 1,95 g.cm-3 - Porosité ouverte......................... inférieure à 18 % - Résistance à l'écrasement à froid supérieure à 200dN.cm-2 - Module de rupture à la flexion à froid ...supérieur à 35 dN.cm-2 Ces mêmes pièces, après cuisson ont les caractéristiques suivantes CARACTERISTIQUES QUANTITES UNITES NORMES Masse volumique apparente : supérieure ou égale à 1,75 g.cm-3 NF B 40321 Porosite ouverte : inférieure ou egale à 26 % NF B 40321 Résistance à l'écrasement à supérieure ou égale à 400 d N.cm-2 NF B 49103 froid : Module de rupture à la flexion à supérieur ou égal à 65 d N.cm2 NF B 49110 froid Afflaissement sous charge différen tiel à chaud sous 19,61 N.cm-2: .Température à 0,5% d'affaissement supérieure à 1600 C NF B 49105 (NF B 49120 Teneur en SiO2 supérieure ou egale à 94 % lNF B 49402 Teneur en Al2O3 inferieure ou egale à 2 % NF B 49412 Teneur en Fe203 inferieure ou égale à 1,2 % NF B 49413 Teneur en Ca O inférieure ou égale à 4,5 % NF B 49417 Teneur en quartz résiduel inférieure ou égale à 5 % diffraction X quantitative Une composition satisfaisante, pour les produits de base, se présente sous forme d'un mélange choisi à l'intérieur des limites suivantes - Ciment Portland artificiel ...................... 3 à 8 % en poids - Silice micronisée ; 2 à 8 % en poids - Grés siliceux ............ de O à 5 millimètres 5 à 30 % en poids - Silex ou quartzite de O à 5 millimètres 20 à 82 % en poids - Silex ou quartzite impalpable 5 à 20 % en poids A ce mélange on ajoute - un agent défloculant .......................... 0,1 à 3 % en poids - un adjuvant tension-actif ..................... 0,01 à 1 % en poids Ce melange est gâché avec une quantité d'eau faible, c'est-à-dire de l'ordre de 5 à 9,5 % d'eau par rapport au poids total sec. Puis on procede au moulage par coulage et vibration. Les pièces obtenues sont demoulées et séchees puis cuites. Elles sont alors aptes à être assembles pour constituer la partie active d'un four à coke. A partir du melange cité plus haut, on va maintenant citer deux exemples précis, les proportions étant exprimées en poids EXEMPLE 1 Ciment Portland CPA 400 HTS................. 6 % Silice micronisée ........................... 6 % Quartz de Villenauxe de 2 à 5 mm............ 27 % Quartz de Villenauxe de 1 à 2 mm .......... 14 % Quartz de Villenauxe inférieur à 0,4 mm 34 % Grés d'Hautrage impalpable 11,7 % Agent défloculant(polynaphtylméthane sulfonate).. 0,3 % A ce mélange on ajoute Adjuvant tensio-actif (lignosulfonate à faible teneur en sucre, additionné d'un antiferment et d'antimoussant) 0,35 % Cette composition est gâchée avec 7,2 % d'eau puis on procède au moulage par coulage et vibration. Les pièces obtenues sont démou lées et séchées puis cuites. Elles sont, alors, aptes à être as semblées pour constituer la partie active du four à coke. Les pièces crues obtenues ont les caracteristiques suivantes Masse volumique apparente 2,18 g.cm-3 Porosité ouverte ............................. 15,3 % Résistance à l'écrasement à froid 602 dN.cm-2 Module de rupture à la flexion à froid ...... 88 dN.cm-2 EXEMPLE 2 Ciment Portland CPA 400.UTS .... 4 % Silice micronisée ............................ 6 % Grés siliceux d'Hautrage de 1 à 2 mm 15 % Silex de Ghlin de 1 à 2 mm 22 % .Grès siliceux d'Hautrage inférieur à 1mm....... 5 % Silex de Ghlin inférieur à lmm 40 % Quartz de Villenauxe impalpable 7,7% Agent defloculant ( Polynaphtyméthane sulfonate).... 0,3% A ce mélange on ajoute Adjuvant tensio-actif (lignosulfonate à faible teneur en sucre, additionne d'un antiferment et d'antimoussant).... 0,02 % Après gâchage avec 8,6 % d'eau, couplage, vibration et démoulage, les pièces crues obtenues ont les caracteristiques suivantes - Masse volumique apparente ........................2,13 g.cm~3 - Porosité ouverte ............................... 16,8 % - Résistance à l'écrasement à froid 452 dN.cm-2 - Module de rupture à la flexion à froid 77 dN.cm'2 Après cuisson, les pièces obtenues à partir des exemples 1 et 2 ci-dessus, ont des caracteristiques et une composition chimique tout-à-fait analogues à celles des briques façonnees (pressage ou damage) comme on le voit sur le tableau comparatif suivant Brique de la CARACTERIS- EXEMPLE 1 EXEMPLE 2 technique con UNITES NORMES TIQUES de l'Inven- de l'Inven- cue en silice tion tion dense Masse volumi que apparente 1,89 1,88 1,85 g.cm-3 Afnor NF B40321 Porosité ouverte 18,5 18,4 19,78 % Afnor NF B40321 Résistance à l'écrasement à froid 555 725 1031 dN.cm2 Afnor NF B49103 Affaissement sous charge différentiel à chaud sous 19,61 N.cm-2 -temperature à 0,5% d'af faissement 1620 1650 1640 C Afnor NF B49105 -temperature a 5X d'affais sement 1670 1650 1660 0C Afnor NF B49105 Dilatation à 1000 C 1,24 1,27 1,22 % Dilatomètre haute température Analyse chi mique : fnor NF B49102 SiO2 ....... 93,04 94,70 95,32 % Afnor NF B49420 A1203 0,95 0,85 0,89 % Afnor NF B49412 Fe203------ 1,52 0,71 0,56 % Afnor NF B49413 CaO 4,02 2,92 2,60 % Afnor NF B49417 Quartz rési duel 1,20 1,50 1,25 % Diffraction X quantitative La vibration du béton apporte des caractéristiques particulièrement interressantes et bien adaptees aux problèmes spécifiques dés fours à coke. En effet, la diminution de la quantité d'eau de gâchage ne nuit pas à la mise en forme et, en revanche, réduit la formation de pores. La diminution de la porosite a pour corollaire une augmentation de la densité des pieces et de leur résistance mécanique. De plus, la faible porosité améliore la conductibilité thermique alors que précisémment la silice est, en elle-même, relativement peu conductrice. Or, dans un four à coke, le chauffage de la houille se faisant à travers les piedroits, les pieces sont chauffées des deux côtés ce qui implique une conductibilite qui doit être aussi grande que possible. On remarque que cette caractéristique s'oppose radicalement aux enceintes tehrmiques dans lesquelles règne une forte température tandis que l'extérieur est à la température ambiante. Dans ce cas une forte conductibilité thermique serait un inconvenient. Dans un four à coke, cette particularité impose que les pièces aient une grande rigidité et une grande résistance mécanique à haute température. On comprend les avantages de l'invention quand on sait que la construction d'une batterie de four à coke exige,à l'heure actuelle, des millions de briques correspondant à un poids total de 2.500 à 6.000 tonnes et plus. Le nombre de pièces nécessaires à la même construction selon le procedé conforme à l'invention est reduitdans des proportions importantes ce qui conduit à un nombre de moules plus petit, à une quantité de rebuts moindre et, par suite, à un prix de revient plus bas. Muais, en outre, un four à coke construit conformément à l'invention est plus ju dicieusementréalisé et a un fonctionnement plus sûr conduisant a une durée de vie plus longue. Le coulage d'un beton et sa vibration permettant d'obtenir des pièces plus complexes et plus précises, a l'avantage de respecter plus facilement les conditions de réception sévères imposées ("CARACTERISTIQUES et CONDITIONS DE RECEPTION DES BRIQUES POUR FOURS A COKE" - Glückauf - 90 - 1954). A titre d'exemple, on peut citerque parmi ces conditions se trouvent celles selon lesquelles des détériorations des arêtes et des angles pour pieddroits ne sont tolérées que pour des briques isolées et en un nombre réduit de points.Pour des briques de piedroits, en contact avec le charbon, les détériorations d'arêtes ne peuvent être tolérées que si les briques ne sont entamees qu'au maximum de 5 mm dans la direction de l'arête considérée, de 3 mm dans la direction de la face en contact avec le charbon, et de 10 mm dans la direction de la face en contact avec le coulis. Il est clair qu'en diminuant le nombre d'arêtes et d'angles, on diminue les risques de déteriorations en service, lesquels sont, de toutes façons, moins à craindre avec un beton coulé et vibré qu'avec une pâte pressée ou damée. Ainsi, on a montré les avantages spécifiques de l'invention pour la construction de fours à coke. Les conditions d'utilisation varient selon qu'il s'agit de cellules de la superstructure ou des chambres de l'infrastructure de telle manière que l'on peut utiliser des pièces conformes à l'invention pour réaliser tout l'ensemble du four ou une partie seulement. L'invention permet donc - d'obtenir des pièces dont les caractéristiques sont au moins égales à celles des briques de silice dense, fabriquees par pressage ou damage. - de permettre la réalisation dans de meilleures conditions et avec moins de rebut de pièces de grandes dimensions qui permettent,aussi, la prefabrication d'ensembles ayant moins de joints que dans un montage traditionnel, ces joints étant souvent la cause d'incidents de service et de mise hors service prématurée d'un ensemble. - la confection de pièces de formes compliquees avec un outillage très simple et peu coûteux à la place de moules métalliques ou de parties de moules métalliques. -d'améliorer le rendement de fabrication des pièces actuellement réalisées par damage pneumatique. L'invention peut être réalisée avec des betons de compositions différentes selon les caractéristiques de chaque four à construire et, dans un four donné, on peut également appliquer 1 'in- vention en totalité ou en partie et utiliser des bétons de compositions différentes. L'invention n'est pas limite aux seuls modes de réalisation décrits mais en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1- Procédé pour la construction totale ou partielle de la partie active de fours à coke, c'est-à-dire, piedroits chauffants partie intermediaire - régénérateurs, caractérisé en ce que l'on utilise un beton réfractaire comprenant un agregat et un liant qui ont des composants aptes à procurer des qualités adaptees aux conditions de service dans un four à coke, puis que l'on gâche ce béton avec de l'eau, puis que l'on introduit ce mélange dans un moule, puis que l'on soumet le mélange à des vibrations pour favoriser le tassement des particules soli des dans les formes du moule, puis que llon démoule la pièce ainsi obtenue en vue de la porter ultérieurement à une tempé rature élevée afin de la cuire. 2- Pièce coule, vibrée, démoulée et séchée, obtenue selon le procédé de la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente, après séchage, les. caractéristiques suivantes - Masse volumique apparente ............... > 1,95 g.cm-3 - Porosité ouverte ....................... - Resistance à l'écrasement à froid > 200 dN.cm-2 - Module de rupture à la flexion à froid... > 35 dN.cm-2 3- Piece cuite obtenue selon le procédé de la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente les caractéristiques sui vantes - Masse volumiqueapparente - 1,75 g.cm-3 - Porosite ouverte % - Resistance à l'écrasement à froid ;;w400 dN.cm-2 - Module de rupture à la flexion à froid # 65 dN.cm-2 - Affaissement sous charge différentiel à chaud sous 19,61 N.cm-2 température à 0,5 % d'affaissement > 1.600 C 4- Pièce cuite obtenue selon le procédé de la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle révèle à l'analyse la composition chimique suivante - teneur en SiO2 > #94 % - teneur en Al203 ; ; 2 % - teneur en Fe203 - teneur en Ca O - teneur en quartz résiduel térisé en ce qu'elle doit constituer, à elle seule, une frac tion d'une paroi de four à coke et présenter, éventuellement, un contour complexe. 6- Four à coke réalisé au moins partiellement par assemblage de pieces obtenues selon le procédé de la revendication 1.