Brevet FR2428221A1 — publié le 19800104

La présente invention concerne une caisse à refroidissement par eau, constituée par des éléments de paroi en tôles d'acier, fermée sur tous ses côtés et remplaçant partiellement le revêtement réfractaire utilisé de façon habituelle dans la zone de paroi située au-dessus du niveau du bain d'un four de fusion et en particulier d'un four à arc, comprenant une paroi avant repliée selon la courbure de la paroi du four et constituée pour maintenir la masse réfractaire ou la masse de scories du four, une paroi arrière parallèle à la paroi avant ainsi que deux parois latérales parallèles l'une à l'autre et plus étroites et respectivement une paroi supérieure et une paroi inférieure parallèles l'une à l'autre, ladite caisse pouvant être refroidie par de l'eau par l'intermédiaire d'une ouverture d'entrée et d'une ouverture de sortie et comprenant sur son côté interne au moins une tôle de guidage pour l'eau de refroidissement. Une caisse de ce type doit protéger la paroi du four en tôle d'acier des rayonnements caloriques de la masse fondue et de l'arc car elle serait détruite par des températures élevées. Habituellement, on utilise des matériaux réfractaires pour protéger la paroi du four. Ces matériaux réfractaires subissent une usure importante et doivent etre régulièrement réparés ou complètement remplacés par des matériaux neufs. Chaque réparation ou chaque remplacement entraîne une interruption de la production. Les caisses doivent avoir une durée de vie plus longue que celle des matériaux réfractaires pour pouvoir augmenter la durée d'utilisation du four de fusion et obtenir une production plus importante. La caisse sert en plus à évacuer la chaleur émise par les pierres réfractaires par l'intermédiaire de la tôle constituant l'enveloppe dans l'environnement du four à l'eau de refroidissement, ce qui fait baisser la température de l'environnement du four et signifie une amélioration des conditions de travail du personnel de service. Quand on utilise des caisses du type mentionné, on peut économiser totalement le revêtement réfractaire habituel dans la zone de la paroi du four dans laquelle ne peut pas parvenir la masse fondue. On rédait ainsi considérablement les frais de fonctionnement du four. Pour augmenter la durée de vie des caisses, leur paroi avant doit présenter de bonnes propriétés d'adhérence pour les masses réfractaires mises en place et les scories projetées contre la caisse par l'arc. En dehors de la protection qu'elles offrent pour la caisse contre la chaleur de rayonnement, les masses réfractaires et les projections de scories qui y adhèrent présentent également des propriétés d'isolation à la chaleur et il en résulte qu'on peut maintenir à des valeurs faibles les quantités de chaleur évacuées du four de fusion par l'intermédiaire de l'eau de refroidissement des caisses. Le but de l'invention est de fabriquer une caisse du type mentionné ci-dessus assurant un refroidissement intensif de la paroi avant de la caisse, qui puisse dtre fabriquée à un coût réduit et en particulier avec un minimum de soudure, tout en maintenant l'épaisseur de la caisse faible.Selon l'invention, ce problème est résolu du fait que la caisse comprend à l'intérieur plusieurs tôles de guidage pour le fluide de refroidissement, orientées verticalement, situées à une certaine distance les unes des autres et sensiblement parallèles à ses parois latérales, formant des compartiments verticaux partiels voisins les uns des autres dans la direction périphérique du four et dans lesquels passe l'eau de refroidissement, l'ouverture d'entrée étant aménagée dans la zone du premier compartiment partiel vertical dans la direction du courant et l'ouverture de sortie dans la zone du dernier compartiment vertical partiel dans la direction du courant, du fait que les tôles de guidage verticales sont soudées à la paroi arrière de la caisse de refroidissement et non à sa paroi avant où elles ne viennent s'appliquer que du fait de la pression, sauf éventuellement la première et la dernière tôles de guidage en direction du courant, et du fait que la première, la troisième, la cinquième, etc. tôles de guidage verticales en direc tion du courant sont soudées à la paroi inférieure et disposées à leur côté supérieur à une certaine distance de la paroi supérieurt en vue de laisser un intervalle de passage pour l'eau de refroidissement, alors que la seconde, la quatrième, la sixième, etc. tôles de guidage verticales dans la direction du courant sont disposées à leur côté inférieur de façon à laisser un intervalle de passage pour l'eau de refroidissement. Quand on utilise une caisse de ce type, on obtient à l'intérieur de la caisse n courant forcé de l'eau de refroidissement assurant un refroidissement fiable des parois de la caisse et également de ce fait de la paroi du four. En raison du courant forcé de l'eau de refroidissement, on évite des zones mortes susceptibles de provoquer des dégâts et éventuellement des zones fondues dans ces endroits, en particulier du fait d'un refroidis sement insuffisant de la paroi de la caisse. L'eau de refroidissement arrive par exemple a une température comprise entre 20 et 250C dans l'ouverture d'entrée pour pénétrer dans la caisse, et pour sortir par l'ouverture de sortie a une température comprise entre 25 et 300C. La pression de l'eau avant son entrée dans la caisse est par exemple de 2,0 bars; la perte de pression a l'intérieur de la caisse est d'environ 0,5 bar.Si les dimensions de la caisse sont de 1650 x 1600 x 150 mm, le débit de l'eau de refroidissement peut être par exemple de 20 m3/h. Le faible coût de production de la caisse de l'invention provient du fait que les tôles de guidage verticales sont soudées fondamentalement sur la paroi arrière de la caisse mais non également sur sa paroi avant, les tôles de guidage venant simplement s'appliquer avec pression contre cette paroi avant. En fait, la caisse est pourvue d'une résistance mécanique suffisante du fait de la courbure des parois avant et arrière, bien que les tôles de guidage ne soient pas également soudées la paroi avant. Le travail de soudage est donc reduit lors de la fabrication de la caisse. Les opérations de soudage qu'il faut entreprendre sur la caisse de l'invention peuvent être exécutées totalement alors que la paroi avant de la caisse n'est pas encore fixée, ce qui rend possible une mise en place simple des tôles de guidage.En outre, les cordons de soudure a réaliser peuvent être facilement contrôlés du point de vue de leur qualité puisqu'ils peuvent être contrôlés complètement avant la fixation de la paroi avant. La première et la dernière tôles de guidage verticales dans la direction du courant sont également soudées la paroi avant de la caisse. Comme il est possible dans ce cas d'effectuer les travaux de soudure nécessaires facilement avant la soudure des deux parois latérales, ces opérations de soudage-ne présentent aucun problème particulier. Il en va de même pour le contrôle de qualité de ces cordons de soudure du fait que ces contrôles peuvent être également réalisés sans difficultés alors que les parois latérales ne sont pas encore en place. Du fait qu'on peut éviter une soudure des tôles de soudage verticales sur la paroi avant du moins en grande partie, la caisse selon l'invention peut avoir des dimensions réduites, ce qui signifie une distance plus faible entre la paroi avant et la paroi arrière.Par opposition, les caisses connues doivent être plus larges simplement du fait qu'il est nécessaire de prévoir une place plus grande dont le soudeur a besoin pour effectuer son travail dans la zone de la paroi avant. Les dimensions relativement plus faibles de la caisse de l'invention signifient de leur côté que le volume interne du four de fusion peut être augmenté de 10 20% selon la grandeur du four et pour un même diamètre, la durée du chargement étant par ailleurs plus courte et donnant lieu à une productivité plus forte du four de fusion. Les dimensions plus faibles de la caisse ont par ailleurs pour conséquence un poids total plus réduit du four. Finalement, les dimensions réduites de la caisse ont pour résultat, pour une quantité d'eau transportée d'égale importance, une vitesse de l'eau plus forte et de ce fait un meilleur refroidissement. La distance séparant la paroi avant de la paroi arrière de la caisse n'est pas plus grande par exemple que le double de l'épaisseur, des parois de la caisse. L'utilisation de tôles de-guidage verticales présente l'avantage que l'on peut utiliser des tôles de forme rectangulaire. La fabrication de ces tôles est donc plus facile quand elles présentent une géométrie de ce type que lorsque les tôles de guidage doivent comprendre des zones de paroi courbes comme c'est le cas pour des tôles de guidage disposées horizontalement. Le type de construction de la caisse permet de disposer l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie à une grande distance l'une de l'autre ou proches l'une de l'autre, selon la construction du four de fusion. Selon une autre caractéristique de l'invention, on prévoit un tube d'échappement de vapeur qui traverse la paroi arrière de la caisse et est dirigé vers l'extérieur, et qui se termine du côté interne dans la zone supérieure de la caisse de refroidissement, et de préférence environ au milieu de sa paroi supérieure, et on prévoit de petites ouvertures d'échappement, associées à la seconde, à la quatrième, à la sixième, etc. tôles de guidage verticales à leur extrémité supérieure face à l'intervalle de passage pour l'eau de refroidissement, les ouvertures d'échappement étant destinées à la vapeur d'eau se formant éventuellement à l'intérieur de la caisse. La vapeur d'eau se formant éventuellement à l'intérieur de la caisse est évacuée vers l'extérieur en suivant le chemin le plus court par le tube d'échappement de vapeur et les ouvertures d'échappement. Au tube d'échappement de vapeur est associé de préférence une soupape de surpression. Si la pression de l'eau à l'avant de la caisse est réglée par exemple à 2 bars-, on choisit une soupape de surpression s'ouvrant automatiquement quand la pression atteint 2,5 bars. Le tube d'échappement de vapeur et les ouvertures d'échappement protègent la caisse d'une destuction dans le cas od de la vapeur se formerait à l'intérieur.- Les ouvertures d'échappement de la seconde, de la quatrième, de la sixième, etc. tôles de guidage verticales constituent simultanément des ouvertures de passage pour l'eau de refroidissement.La zone d'ouverture est alors choisie de manière qu'au maximum 5% de la quantité d'eau de refroidissement introduite dans la caisse passe par les ouvertures d'échappement c'est-àdire par le chemin en court-circuit direct passant par les ouvertures d' échappement. Selon une caractéristique préférée de l'invention, la seconde, la quatrième, la sixième, etc. tôles de guidage verticales sont aménagées à une faible distance de la paroi supérieure en laissant des ouvertures d'échappement pour la vapeur d'eau. Ces ouvertures d'échappement peuvent être réalisées de façon simple en ne laissant pas parvenir les tôles de guidage verticales en question directement jusqu'à la paroi supérieure. Comme du fait de la forme des ouvertures d'échappement mentionnée précédemment, il existe le danger que ces ouvertures d'échappement soient de grandeurs diverses lors de la fabrication de la caisse et soient pourvues en particulier d'une zone de passage trop importante, il est recommandé que la seconde, la quatrième, la sixième, etc. tôles de guidage verticales soient également soudées à la paroi supérieure de la caisse et que des ouvertures d'échappement soient réalisées par alésage ou fraisage dans la zone terminale supérieure de ces tôles de guidage verticales dans leur masse, telles que des alésages ou des rainures, destinées à la vapeur d'eau éventuelle. Cette forme donnée aux ouvertures de passage destinées à la vapeur d'eau est avantageuse du fait qu'on augmente grâce à elles la résistance mécanique des tôles de guidage et de ce fait de la caisse dans son ensemble. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la paroi avant comprend des rainures ou des alésages aménagés dans sa masse, permettant l'adhérence de masses réfractaires mises en place soit à la main soit à la machine ou de scories projetées contre la paroi du four par l'arc. L'invention sera maintenant expliquée plus clairement dans le cadre d'un four à arc vertical équipé de caisses réalisées selon l'invention, avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 représente un four à arc sans couvercle ni électro des, vu en coupe axiale, la figure 2 représente par devant une caisse réalisée selon l'invention, vue en direction de sa paroi arrière et partiellement en coupe, la figure 3 représente la caisse de la figure 2 en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, la figure 4 représente la caisse des figures 2 et 3 en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2, la figure 5 représente la caisse des figures 2, 3 et 4 en coupe selon la ligne V-V de la figure 2, la figure 6 représente la caisse de la figure 3 en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 3, la figure 7 représente la coupe de la caisse des figures 2 à 5 représentée sur la figure 5 en VII à plus grande échelle;et les figures 8 et 9 représentent la coupe d'une seconde forme de réalisation de la caisse de l'invention présentée en VII sur la figure 5. La figure 1 représente le four avec son foyer 1 réalisé en une maçonnerie en pierres réfractaires et sa paroi revêtue-d'un matériau réfractaire. Sur la couche de paroi supérieure qui est distante d'environ 40 à 50 cm du niveau 2 du bain de fusion sont installées les caisses 4 parcourues par l'eau de refroidissement. Chaque caisse est réalisée par soudage de tôles d'acier en utilisant un matériau soudable à la chaleur tel que de 1' AST 41 et inaltérable. Comme on peut le voir sur la figure 2, la caisse 4 est essentiellement rectangulaire et constitue des éléments de paroi en forme de secteurs creux correspondant à la courbure de la paroi du four. La partie supérieure de la paroi du four est constituée sous fore d'une virole 3 réalisée à partir d'éléments de paroi de caisses aménagés de façon appropriée. La caisse est constituée par une paroi avant 5 courbée selon la courbure de la paroi du four et tournée vers l'intérieur du four et une paroi arrière 6 parallèle à la paroi avant 5 ainsi que deux parois latérales 9 parallèles l'une à l'autre, se faisant face et plus étroites et respectivement une paroi supérieure 7 et une paroi inférieure 8 parallèles et se faisant face. La caisse 4 peut être alimentée par l'intermédiaire d'une ouverture d'entrée 10 et d'une ouverture de sortie 11 en eau de refroidissement à circulation forcée. Sur le côté externe de l'ouverture d'entrée 10 se raccorde un tube d'arrivée 12, et sur l'ouverture de sortie 11 un tube de sortie 13. A l'intérieur de la caisse 4 sont disposées sept tôles de guidage verticales 141, 142, ..., 147 espacées les unes des autres et par lesquelles sont formes les compartiments verticaux partiels A1, A2, ... A8 alimentés par l'eau de refroidissement. La direction du courant de l'eau de refroidissement est indiquée respectivement par des flèches S. L'ouverture d'entrée 10 et l'ouverture de sortie 11 sont disposées loin l'une de l'autre dans la zone inférieure de la paroi arrière 6 et établissent la communication avec les compartiments partiels verticaux A1 et A8. Les tôles de guidage verticales 142 .., 146 sont soudées à la paroi arrière 6 de la caisse 4 mais non à sa paroi avant 5. Les tôles de guidage viennent s'appuyer avec une certaine pression contre la paroi avant 5. Les tôles verticales de guidage 141 et 147 sont soudées aussi bien à la paroi arrière 6 qu'à la paroi avant 5. La première, la troisième, la cinquième et la septième tôles de guidage verticales 141, 143, 145, ou 147, en direction du courant sont disposées à une certaine distance al de la paroi supérieure en laissant libre respectivement un intervalle de passage 15 pour l'eau de refroidissement. D'un autre côté, la seconde, laquatrième et la sixième tôles de guidage verticales 142, 144 ou 146 dans la direction du courant ménagent respectivement sur leur côté inférieur respectivement un intervalle de passage 15 pour l'eau de refroidissement situé à une distance a2 c à la paroi inférieure 8. Un tube d'échappement de vapeur 17 traverse la paroi arrière 6 de la caisse 4 vers l'extérieur alors qu'il se termine sur le côté interne de la zone supérieure de la caisse de refroidissement 4, environ au milieu de sa paroi supérieure 7. Une soupape de surpression non représentée est montée sur le côté externe du tube d'échappement de vapeur 17. La seconde, la quatrième et la sixième tôles de guidage verticales 142, 144 ou 146 possèdent à leur extrémité supérieure de petites ouvertures d'échappement 18 par lesquelles la vapeur d'eau se formant éventuellement à l'intérieur de la caisse 4 peut parvenir par le chemin le plus court possible au tube d'échappement de vapeur 17. Dans le cas de la forme de réalisation représentée sur les figures 1 à 7 d'une caisse selon l'invention, les ouvertures d'échappement 18 sont respectivement constituées du fait que la seconde, la quatrième et la sixième tôles de guidage verticales 142, 144 ou 146 sont disposées à leur côté supérieur à une certaine petite distance a3 de la paroi supérieure 7 de la caisse 4. Dans les deux exemples de réalisation représentés sur les figures 8 et9 d'une caiss-e selon l'invention, la seconde, la quatrième et la sixième tôles de guidage verticales 142, 144 ou 146 sont soudées directement sur leur côté supérieur à la paroi supérieure 7; les ouvertures d'échappement 18 sont alors prévues dans la zone terminale supérieure des trois tôles de guidage verticales où elles sont constituées par des alésages fraisés (figure 8) ou alésés (figure 9) dans la masse de la tôle de guidage. La paroi avant 5 comprend sur son côté tourné vers l'intérieur du four des moyens de fixation 19 permettant une bonne adhérence des masses réfractaires 20 mises en place ou des scories 21 projetées sur la paroi avant par l'arc. Les moyens de fixation sont constitués par une pluralité de cavités orientées horizontalement et fraisées en forme de rainures dans la masse même de la paroi avant 5. La masse réfractaire 20 et la couche de scories 21 ne sont pas représentées sur la figure 2. REVENDICATIONS 1. Caisse à refroidissement par eau, constituée par des eléments de paroi en tôles d'acier, fermée sur tous ses côtés et remplaçant partiellement le revêtement réfractaire utilisé de façon habituelle dans la zone de paroi située au-dessus du niveau du bain d'un four de fusion et en particulier d'un four à arc, comprenant une paroi avant repliée selon la courbure de la paroi du four et constituée pour maintenir la masse réfractaire ou la masse de scories du four, une paroi arrière parallèle à la paroi avant ainsi que deux parois latérales parallèles l'une à l'autre et plus étroites et respectivement une paroi supérieure et une paroi inférieure parallèles l'une à l'autre, ladite caisse pouvant être refroidie par de l'eau par l'intermédiaire d'une ouverture d'entrée et d'une ouverture de sortie et comprenant sur son côté interne au moins une tôle de guidage pour l'eau de refroidissement, caractérisée en ce que la caisse de refroidissement est pourvue à l'intérieur de plusieurs tôles de guindage (141, 142 - 147) disposées verticalement, à une certaine distance les unes des autres, essentiellement parallèles à ses parois latérales (9) et formant des compartiments partiels verticaux (A1, A2,...A8) disposés les uns après les autres dans la direction de la périphérie (Y) et alimentés par l'eau de refroidissement, l'ouverture d'entrée (10) étant disposée dans la zone du premier compartiment partiel vertical (A1) dans la direction du courant (S) et l'ouverture de sortie (11) étant disposée dans la zone du dernier compartiment partiel (A8) dans la direction du courant (S), en ce que les tôles de guidage verticale (141 ... 147) sont soudées à la paroi arrière (6) de la caisse (4) mais non également à la paroi avant (5) et viennent simplement s'appliquer avec une certaine pression contre sa paroi avant (5), sauf éventuellement la première et la dernière tôles de guidage verticales (141 ou 147) dans la direction du courant (S), et en ce que les première, troisième, cinquième, ... tôles de guidage verticales (141, 143, 145 ..) dans la direction du courant (S) sont soudées à l'interieur au moins indirectement à la paroi inférieure (8) et disposées à leur côté supérieur de manière à laisser un intervalle de passage (15) pour l'eau de refroidissement à une distance (a1) de la paroi supérieure (7) alors que les deuxième, quatrième, sixiè- me, ... tôles de guidage verticales (142, 144, 146, ...) en direction du courant (S) ménagent sur leur côté inférieur un intervalle de passage libre (15) pour l'eau de refroidissement. 2. Caisse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu un tube d'échappement de vapeur (17) traversant la paroi arrière (6) de la caisse (4) vers l'extérieur et se terminant à l'intérieur à la partie supérieure de la caisse (4), de préférence environ au milieu de sa paroi supérieure (7), et en ce que de petites ouvertures d'échappement (18) destinées à la vapeur d'eau se formant éventuellement à l'intérieur de la caisse (4) sont associées à la seconde, la quatrième, la sixième, tôles de guidage verticales (142, 144, 146) à leur extrémité supérieure face aux intervalles de passage (15) destinés à l'eau de refroidissement. 4. Caisse selon la revendication 2, caractérisée en ce que les seconde, quatrième, sixième, ... tôles de guidage verticales (142, 144, 146) sont disposées à une faible distance (a3) de la paroi supérieure (7) en ménageant des ouvertures d'échappement (18) pour la vapeur d'eau. 4. Caisse selon la revendication 2, caractérisée en ce que les seconde, quatrième, sixième, ... tôles de guidage verticales (142, 144, 146) sont soudées à leur côté supérieur à la paroi supérieure (7) et en ce qu'il est prévu dans la zone terminale supérieure de ces tôles de guidage verticales (142, 144, 146) des ouvertures d'échappement (18'ou 18") alésées ou fraisées dans leur masse, telles que des alésages ou des rainures,destinées à la vapeur d'eau. 5. Caisse selon la revendication 1 ou l'une des revendications suivantes, caractérisée en ce que la paroi avant (5) est constituée sur son côté externe de manière à permettre l'adhérence de masses réfractaires (20) mises en place à la main ou à la machine ou de scories (21) projetées sur la paroi par l'arc. 6. Caisse selon la revendication 1, caractérisée en ce que des cavités sous forme de rainures ou d'alésages et recouvrant la totalité de la surface sont pratiquées dans la masse de la paroi avant (5) de la caisse (4) tournée vers l'intérieur du four pour constituer des moyens de fixation (19).