Brevet FR2420733A1 — publié le 19791019

La présente invention concerne les voltes refroidies de fours électriques. L'une des'principales orientations de l'aciérie électrique moderne est l'augmentation continuelle de la capacité et de la puissance spécifique des fours d'aciérie à arc électrique. On construit maintenant des fours électriques de grande capacité qui, conjugués avec des convertisseurs, offrent de bonnes perspectives de développement. - La mise en oeuvre d'oxygène gazeux et l'accroissement de la puissance des transformateurs dans l'élaboration des aciers de diverses compositions ont fortement altéré les conditions de service de la maçonnerie réfractaire des fours d'aciérie à arc électrique. Les conditions sont particulièrement dures pour les voltes des fours à arc, qui subissent des actions thermiques très fortes et variables, ainsi que l'action des produits de la fusion et de l'atmosphère réductrice du four. Il en résulte une baisse de la résistance mécanique de la maçonnerie des voltes, une augmentation de l'irrégularité d'usure des briques de la volte, des déformations de la maçonnerie et l'arrêt prématuré des fours, malgré une épaisseur résiduelle importante du garnissage, ce qui se traduit par une dépense accrue en réfractaires comateux. En outre, la conception des voltes existantes des fours électriques d'aciérie porte en elle-meme une cause de destruction avant même la mise en service de la volte, car les briques sont coincées dans la voûte sous une poussée suffisante pour qu'elles ne puissent tomber de la voûte. De cessait, quand la voûte est mise en place sur le four et pendant son service, c'est-à-dire quand elle est chauffée Jusqu'à une température de 1700 à 18000C. Les briques réfractaires ne peuvent ni s'allonger, ni se dilater librement, bien que l'allongement et la dilatation soient importants à ces températures.Il apparat donc dans la maçonnerie de la voûte des contraintes mécaniques d'origine thermique qui en provoquent la fissuration; par suite de la succession des cycles chauffage-refroidissement les fissures se développent et provoquent l'écaillage du garnissage de la voûte qui tombe dans le four électrique. C'est pour cette raison que l'on a tenté de compenser les contraintes apparaissant dans la maçonnerie pendant l'utilisation de la voûte en plaçant dans la voûte des intercalaires consommables ou en employant divers mortiers dans la maçonnerie de la voûte. Toutefois, ces essais n'ont pas donné les résultats escomptés. La durée de service de la voûte n'a été augmentée que d'une valeur tout à fait insignifiante. Un accroissement de la tenue des voûtes des fours électriques a été obtenu grâce à l'amélioration continuelle de la qualité des réfractaires et des briques employés et à la création de nouveaux genres de ces matériaux. Toutefois, une telle voie est peu efficace, car il faut tenir compte de l'augmentation du prix des produits réfractaire, augmentation qui est bien loin d'être proportionnelle à l'augmentation de la durée de service de la voûte du four électrique. C'est pour cette raison que l'on recherche dans une autre voie l'augmentation de la durée de service des voûtes des fours électriques : la création de structures refroidies. On connatt une voûte tubulaire refroidie, dans laquelle le garnissage est une matière réfractaire à haute teneur en alumine. Cette voûte est refroidie par vaporisation, c'està-dire avec récupération de la chaleur extraite par le fluide caloporteur. Toutefois, par suite de l'augmentation de la consommation d'énergie par unité de produit, cette voûte s'est avérée économiquement désavantageuse. Quelquefois, avant leur mise en service, les voûtes sont placées sur un réchauffeur contré automatiquement, ou bien diverses pièces refroidies sont logées dans la maçonnerie de la voûte. Toutefois, ceci n'a pas donné de résultats efficaces et n'a pas permis d'augmenter notablement la durée de service de la voûte des fours électriques. On a créé un four de traitement thermique de minerais, dans lequel des tubes étaient disposés très près les uns des autres et le matériau calorifuge était posé en appui sur ces tubes. Une telle unité métallurgique était en fait une unité de production de vapeur et elle a entraîné une forte augmentation de la consommation d'énergie électrique, car la surface de refroidissement était très grande et pratiquement toute la voûte et tous les murs du four étaient constitués de tubes refroidis. Le certificat d'auteur d'invention nO 214 560, délivré en U2R.S.S., décrit une voûte de four d'aciérie à arc électrique, qui comporte un refroidissement par eau et un garnissage en matière réfractaire. Afin d'augmenter la tenue de la volte, le garnissage est fixé sur un écran refroidi, réalisé avec des tubes disposés radialement et revêtus d'une matière très réfractaire, les extrémités inférieures des tubes étant reliées à un collecteur, et leurs extrémités supérieures, à un caisson plat situé au centre de la voûte. Pour alléger le montage, la voûte est réalisée en plusieurs sections indépendantes solidarisées entre elles. Une telle voûte a une bonne tenue, mais la consommation d'énergie électrique augmente de 10 à 1296, ce qui réduit for tendent l'économie réalisée. En outre, des ergots d'acier doivent être, chaque fois, soudés sur les tubes pour maintenir la matière réfractaire. On connatt des votes de fours électriques d'aciérie qui combinent un refroidissement par eau et un garnissage, en forme de calotte mécanique, ayant un couvercle présentant des trous pour le passage des électrodes et des doubles parois qui forment une enceinte pour le refroidissement de la voûte par circulation d'eau. Des nervures sont soudées suivant des circonférences et des rayons, à la surface côté laboratoire de la paroi inférieure. Ces nervures forment des cellules qui sont remplies de matière réfractaire. Outre la complexité de la fabrication de la carcasse et la nécessité de souder chaque fois les nervures, cette voûte présente également l'inconvénient déJà mentionné : l'augmentation de la consommation d'énergie par unité de produit. Le brevet américain nO 3 053 237 décrit un garnissage pour la calotte ou voûte d'un four d'aciérie à arc électrique comprenant des tubes de refroidissement et des ergots, fixés aux tubes pénétrant dans la couche réfractaire; grâce à ces ergots, la couche réfractaire est refroidie et maintenue iécaniqueient. Mais, dans ce cas aussi, les pertes de chaleur sont excessives et entrainent une grande consommation d'énergie électrique, ce qui annule le principal avantage de la voûte : l'augmentation de sa durée de service. Le problème de l'augmentation de la durée de service n'est pas non plus résolu potr d'autres voûtes de conception similaire. L'analyse de la conception des voûtes refroidies connues, permet de constater que le problème de l'augmentation de la durée de service des voûtes des fours électriques n'est pas encore résolu. La principale difficulté est la complexité de la fabrication de la structure métallique des voûtes, car l'asseublage des pièces des structures tubulaires, et surtout de celles en caisson, requiert une réalisation précise des formes géométriques des pièces qui complique la réalisation des 3onctions et entrasse de grandes dépenses de maind'oeuvre.En outre, quand la structure métallique des voûtes est portée à haute température, ses pièces constitutives, rigidement assemblées entre elles, subissent des contraintes qui sont transmisses au garnissage de la voûte; il s'ensuit l'écaillage du garnissage ou son effritement s'il est réalisé en enduit réfractaire. Le but'due l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués ci-dessus. On s'est proposé de créer une voûte refroidie de four électrique, dans laquelle le garnissage réfractaire et les tubes de la carcasse refroidie seraient disposés de telle manière que la durée de service de la voûte soit plus grande que celle des voûtes d'usage similaire, que la voûte soit de conception plus simple, qu'il soit possible de remplacer les portions usées du garnissage sans enlèvement de la voûte du four, que la consommation d'énergie électrique par unité de produit soit minimale, gracie à un rapport optimal entre la surface du garnissage et la surface des tubes refroidis, et qu'il devienne possible de réduire le personnel occupé à la fabrication des voûtes. La solution consiste, selon l'invention, en une voûte refroidie de four électrique comprenant un anneau de voûte, présentant une cavité pour la circulation d'un agent de re froidissement, sur lequel s'appuie une carcasse tubulaire avec un armaturage pour le maintien du garnissage réfractaire, voûte qui comporte des poutrelles-collecteurs s'appuyant sur l'anneau de voûte;; des tubes de carcasse disposés dans une direction transversale à ces poutrelles-collecteurs auxquelles ils sont reliés et suspendus, ces tubes étant fixés au moins d'un côté à l'anneau de voûte, et des plats métalliques, fixés sur les tubes suivant leur génératrice supérieure, faisant office d'armature pour le garnissage réfractaire qui se compose d'au moins une couche de briques, posées en rangées de façon que chaque brique de la couche inférieure porte par ses extrémités sur deux tubes voisins de la carcasse et que les briques de chaque rangée soient rangées par rapport auxdits plats métalliques avec un écartement suffisant pour permettre les dilatations thermiques. L'allongement de la durée de service de la voûte selon l'invention résulte du fait que les briques réfractaires employées pour le garnissage de la voûte sont posées, sur les tubes refroidis, libres, écartées des plats métalliques, sans aucun mortier, c'est-à-dire que chaque brique réfractaire peut se dilater dans n'importe quelle direction pendant l'utilisation, ce qui prévient l'apparition de contraintes d'origine thermique dans les briques réfractaires et la fissuration et l'écaillage de ces briques réfractaires. La voûte refroidie conforme à l'invention ne requiert aucun dispositif pour la fixation des briques sur les tubes refroidis, car les briques reposent librement sur eux; ce qui réduit le temps nécessaire au montage du garnissage d'une voûte et le nombre de personnes nécessaire pour son exécution. En outre, le garnissage de la voûte selon l'invention, permet l'extraction de n'importe quelle brique réfractaire .usée et son remplacement par une brique neuve directement sur le four, c'est-à-dire sans enlèvement de toute la voûte du four. L'augmentation de l'écartement des tubes refroidis de la carcasse de la voûte permet de réduire notablement le nombre de tubes, comparativement aux voûtes à tubes refroidis connues, ou bien de réduire notablement sa surface refroidie, compa rativement aux voûtes à caisson refroidi, ce qui abaisse dans les deux cas efficacement la consommation d'énergie électrique par unité de produit. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, 'caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant les modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - La figure 1 représente une voûte refroidie de four élec trique, vue de dessus avec arrachement partiel; - La figure 2 représente la coupe selon II-II de la fi gure 1; - La figure 3 représente la coupe selon III-III de la figure 1. La voûte refroidie de four électrique comporte des tubes 1 (figure 1) disposés en une nappe sensiblement parallèlement dont les extrémités s'appuient sur un anneau de voûte creux 2 constituant une cavité pour la circulation d'un agent de refroi dissement. Dans la partie médiane, par exemple en deux points, les tubes 1 sont suspendus à des poutrelles-collecteurs3 3 et 4 (figures 1 et 2), par exemple groupées en paires superrosées, la poutrelle-collecteur inférieure 3 étant par exemple le collecteur d'arrivée et la poutrelle-collecteur supérieure 4 correspondante, le collecteur de sortie de l'agent de refroidis serrent par exemple de l'eau, éventuellement traitée. Les tubes 1 sont suspendus aux poutrelles-collecteurs par des organes de suspension 5 (figures 1 et 2).Des tubulures 6, quatre dans l'exemple représenté, raccordent les tubes i de la voûte re froidie à une poutrelle-collecteur 3 (figure 2), et des tubu lures 7, en nombre égal à celui des tubulures 6,raccordent les tubes 1 à une poutrelle-collecteur 4. Les poutrelles-collec teurs 3 et 4 peuvent hêtre solidarisées par paires l'une à l'autre, par exemple soudées, un plat 8 pouvant être interposé entre elles. Les tubes 1 (figure 1) sont coudés en épingles à cheveux pour constituer des zigzags et disposés dans une direction sensiblement transversale aux paires de poutrelleFcollecteurs 3 et 4-avec qui ils constituent une carcasse d'armatures pour le maintien du garnissage réfractaire du four électrique. Ces tubes 1 peuvent traverser complètement ou partiellement l'éten due de la voûte (figure 1). Pour assurer l'étancheité aux gaz, une virole 9 est soudée sur toute la périphérie de l'anneau de voûte 2. Les tubes 1 sont fixés à l'anneau de voûte Zpar exemple, à l'aide de colliers 10 et,par exemple, au voisinage d'un coude. Suivant la génératrice supérieure de chaque tube i, sur au moins une partie de sa longueur, est soudé un plat métallique i1 (figure 3) qui fait office d'armature pour le garnissage réfractaire. Entre les plats métalliques il voisins sont placéeavec un écartement 1 des briques réfractaires 13, qui s'appuient par leurs extrémités sur les tubes voisins 1. Les briques réfrac taires 13 constituent le garnissage réfractaire et elles sont posées sur les tubes 1 en au moins une couche. La paroi laté rale de l'anneau de voûte 2- (figure 2) côté laboratoire du four est protégée par une matière réfractaire 14. Pour la mise en place de la voûte sur lefour sont prévus des oeillets 15 (figure 1), et pour sa manutention des crochets 16. Le passage des électrodes 17 à travers la voûte s'effectue par des trous appropriés. La voûte refroidie de four électrique selon l'invention fonctionne de la façon suivante A l'aide d'appareils de manutention, la voûte est soulevée parles crochets 16 (figure 1) et mise en place sur le four, où elle est fixée par les oeillets 15. A l'aide de canalisations (flexibles, tubes) l'agent de refroidissement est admis à l'anneau creux 2 et aux poutrelles-collecteurs 3 d'arrivée, d'où il est distribué aux tubes refroidis 1 par les tubulures 6. L'agent de refroidissement sortant des tubes 1 est transmis par les tubulures 7 aux poutrelles-collecteurs 4, d'où il est évacué de la voûte.Les briques réfractaires 13 sont posées sur les tubes refroidis 1 de telle façon que, même lorsque leur allongement est maximal sur le four mis en température, il reste des écartements 12 entre elles et les plats 11. Aprbs quelques coulées, toute la surface inférieure des tubes 1 et des briques 13 se trouvent recouverte d'une couche adhérente, mélange de scorie et de métal, qui interdit le passage des produits de la fusion à travers les inétancheités de la voûte et abaisse les pertes de chaleur, car elle revêt les tubes refroidis 1. Dans la voûte conforme à l'invention, l'usure des briques réfractaires est fortement ralentie, carla cause principale d'usure des voûtes des fours électriques, la fissuration et l'écaillage des briques, est supprimée. En outre, toute l'épaisseur de la voûte réfractaire est pratiquement utilisée et il est possible de remplacer les briques réfractaires usées dans n'importe quelle portion de la voûte sans enlever la voûte du four. Les essais d'une voûte refroidie selon l'invention sur un four électrique d'une capacité de 60 t ont montré sa fiabilité et son aptitude fonctionnelle. L'épaisseur du garnissage était de 150 mm, soit deux fois moins que l'épaisseur du garnissage de la voûte employée antérieurement. La durée de service de la voûte refroidie s'est accrue de plus de 2,5 fois et s'est élevée à 244 coulées. Le surplus de consommation d'énergie électrique s'est élevé à 1-1,5% de la consommation électrique par unité de produit relevée avec une voûte non refroidie. En outre, on a noté une augmentation de la durée de service de la maçonnerie des murs, également Jusqu'à 244 coulées, alors qu'une maçonnerie ordinaire des murs ne tenait que 160 coulées. La coInci- dence des durées de service de la voûte et des murs du four électrique permet de réduire le nombre de réfections, car il devient inutile d'arrêter le four d'abord pour la réfection des murs, puis pour le remplacement de la voûte. Le problème de l'augmentation de la durée de service des voûtes des fours électriques est résolu par la présente invention, dont l'efficacité d'emploi est accrue par le fait que la voûte refroidie créée assure non seulement une augmentation de la durée de service, mais aussi des pertes de chaleur minimales, ce qui se traduit par une augmentation tout à fait insignifiante de la consommation d'énergie électrique comparativement à une voûte sans refroidissement; en comparaison avec des voûtes refroidies similaires, la voûte conforme à l'invention est bien plus économique en ce qui concerne la consommation d'énergie électrique. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés 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 de la revendication qui suit. REVENDICATION Voûte refroidie de four électrique -comprenant un anneau de voûte présentant une cavité pour la circulation d'un agent d. refroidissement, sur lequel s'appuie une carcasse tubulaire avec un armaturage pour le maintien du garnissage réfractaire, caractérisée en ce qu'elle comporte : des poutrelles-collecteurs s'appuyant sur l'anneau de voûte; des tubes de carcasse coudés en épingle à cheveux et disposés dans une direction transversale par rapport à ces poutrelles-collecteurs auxquelles ils sont connectés et suspendus* ces tubes étant fixés au moins d'un côté à l'anneau de voûte; et des plats métalliques fixés sur les tubes suivant leur génératrice supérieure, ces plats faisant office d'armature pour le garnissage réfractaire qui se compose d'au moins une couche de briques, posées en rangées de façon que chaque brique de la couche inférieure porte par ses extrémités sur deux tubes voisins de la carcasse et que les briques de chaque rangée soient placées par rapport auxdits plats métalliques avec un écartement suffisant pour permettre les dilatations thermique s