Brevet FR2459436A1 — publié le 19810109

La présente invention a pour objet des boîtes à eau pour le refroidissement des parois d'un four de fusion à arc et des dispositifs pour les fabriquer. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des fours de fusion à arc électrique d'aciérie. Jusqu'à une date récente, les fours de fusion à arc électrique utilisés en aciérie pour la fabrication de l'acier comportaient une cuve en acier dont la paroi interne était garnie d'un revêtement en briques réfractaires qui devait être remplacé fréquemment. Récemment, on a proposé de construire des fours à arc dont les parois latérales situées au-dessus du bain en fusion sont constituées par des bottes à eau refroidies par une circulation d'eau, Les brevets FR. 73/02.455 et FR. 73/15.494 décrivent un premier type de parois refroidies par une circulation d'eau, lesquelles parois sont composées de blocs métalliques épais, en fonte ou en cuivre, dans l'epais- seur desquels sont noyés des tubes qui sont moulés intégralement dans le bloc et dans lesquels on fait circuler de l'eau de refroidissement. Ces parois métalliques peuvent être combinées avec des briques réfractaires. Les brevets FR. 77/21.472 et FR. 77/21.473 décrivent un autre type de fours à arc dans lesquels les parois latérales du four situées audessus du bain en fusion sont constituées par des botes à eau en construction mécano-soudée. Ces boîtes comportent deux parois, interne et externe, en tôle d' acier, ayant la forme de secteurs circulaires qui délimitent un espace annulaire creux dans lequel on fait circuler de l'eau de refroidissement. Afin d'améliorer les échanges thermiques et l'efficacité du refroidissement, le brevet FR/ 77/21.472 décrit un mode de réalisation dans lequel chaque boîte à eau comporte des tôles de guidage ou cloisons transversales qui forcent l'eau de refroidissement à suivre un trajet sinueux ou en zig-zag qui contourne chaque cloison. De plus, les botes à eau décrites dans le brevet FR. 77/21.472 comportent sur leur face interne des éléments saillants ayant la forme de profilés creux ouverts vers le haut, qui sont destinés à favoriser la création d'une couche de scories qui forme un revêtement protecteur. Une revue de l'état de la technique actuelle est publiée dans un article intitulé "Eléments de paroi refroidis à l'eau pour fours à arc U.H.P.", ayant pour auteur D. AMELING, R. ASSENMACHER, E. ELSNER et G. FUCHS, paru dans la revue Stahl und Eisen du 4 Mai 1978, 98 No. 9, page 429 à 434. La fabrication et l'utilisation de boîtes à eau mécanosoudées comportant des cloisons transversales présente des difficultés que la présente invention se propose de résoudre. Une première difficulté réside dans la soudure des bords longitudinaux des cloisons sur les tôles latérales qui constituent les deux parois interne et externe des botes. Actuellement, selon une première technique de fabrication, on soude d'abord un bord longitudinal de chaque cloison alternativement sur l'une et sur l'autre de chacune des tôles latérales, puis on rapproche les deux tôles de telle sorte que chaque cloison comporte un seul bord longitudinal soudé. Il en résulte des fuites d'eau entre le bord non soudé de chaque cloison et la paroi, de telle sorte que le débit d'eau n'est pas régulier sur toute la surface d'une botte, ce qui peut entraîner des zones mal irriguées et mal refroidies d'où des risques de déformations et de fuites d'eau. Selon une deuxième technique de fabrication, on soude d'abord un premier bord longitudinal de toutes les cloisons sur l'une des tôles. Ensuite, on relie deux cloisons voisines par un plat en acier qui est soudé extérieurement sur les deux autres bords longitudinaux des deux cloisons de telle sorte que l'une des tôles latérales est remplacée par une succession de plats en acier disposés dans un même plan. Cette deuxième technique de fabrication estcoûteuse. De plus, elle présente un inconvénient majeur du fait que chaque boîte à eau comporte une succession de cordons de soudure qui débouchent à l'extérieur et tout défaut d'étanchéité d'un cordon entraîne une fuite d'eau vers l'extérieur qui constitue un risque grave de détérioration de la sole du four et même d'explosion due à la vaporisation de l'eau et à la décomposition de celle-ci. Cette deuxième technique tend à être abandonnée. Une autre difficulté rencontrée dans b fabrication des bottes à eau comportant sur la face externe de leur paroi interne des éléments en saillie réside dans le fait que ces éléments doivent être soudés sur toute leur section pour permettre une bonne circulation des calories. Une autre difficulté réside dans le fait que la température de la paroi interne des botes est plus élevée dans la partie inférieure des botes que dans la partie supérieure d'où une usure plus rapide de cette partie inférieure. Pour maintenir suffisamment basse la température de paroi dans la partie inférieure des boîtes, on est amené à augmenter le débit d'eau, mais cette solution conduit à évacuer inutilement des calories et entraîne un gaspillage d'énergie. L'objectif de la présente invention est de perfectionner la fabrication des boîtes à eau mécanosoudées du type comportant des cloisons transversales et des bottes à eau mécanosoudées comportant des éléments en saillie sur la face externe de leur paroi interne. Une boîte à eau selon l'invention pour le refroidissement des parois latérales d'un four de fusion à arc comporte, de façon connue, deux parois latérales en tôle d'acier, l'une interne dirigée vers l'intérieur du four et l'autre externe dirigée vers l'extérieur du four et des cloisons transversales qui sont disposées entre lesdites parois latérales, perpendiculairement à celles-ci et qui délimitent avec lesdites parois latérales des conduits paralleles dans lesquels l'eau de refroidissement circule. L'objectif de l'invention est atteint au moyen de bottes à eau, dans lesquelles chaque cloison transversale est soudée intérieurement auxdites parois latérales le long de ses deux bords longitudinaux. Dans le cas où les cloisons transversales sont disposées horizontalement, l'espacement entre cloisons est plus faible dans le bas de la boîte que dans la partie haute. De préférence, une boîte à eau selon l'invention comporte des aubes déflectrices et/ou des grilles de tranquillisation situées dans les conduits inférieurs pour guider les filets d'eau et éviter les zones tourbillonnaires. Les boîtes à eau selon l'invention comportent, de préférence, des éléments saillants sur la face externe de la paroi latérales interne qui sont soudés électriquement par point sur toute leur section. La présente invention a pour objet un appareil destiné à fabriquer des boîtes à eau selon l'inventioequi comporte une torche de soudure destinée à effectuer les soudures internes de l'un des bords longitudinaux de chacune des cloisons transversales et des moyens pour déplacer longitudinalement ladite torche à l'intérieur de chacun desdits conduits en la guidant pour la maintenir dans le plan diagonal du conduit contenant la soudure en cours d'exécution. L'invention a pour résultat de nouvelles boîtes à eau refroidies par circulation d'eau qui constituent les parois latérales d'un four de fusion à arc. Un avantage des boîtes à eau selon 1 invention réside dans le fait que les conduits dans lesquels l'eau circule en zig zag sont étanches et le même débit d'eau circule sur toute la surface de la boîte. Ce résultat est atteint avec des bottes qui comportent uniquement des soudures internes et un manque d'étanchéIté accidentel d'une soudure ne risque pas de créer une fuite d'eau vers l'extérieur des boîtes. Un autre avantage des boîtes selon 1 invention dans lesquelles les cloisons sont disposées horizontalement et sont plus rapprochees les unes des autres dans la partie inférieure de la boîte que dans la partie supérieure réside dans le fait qu'avec le même débit d'eau, on obtient une plus grande vitesse dans les conduits inférieurs d'où un régime plus turbulent et des échanges thermiques meilleurs. Avec les botes à eau comportant des cloisons transversales équidistantes, on observe une différence de la température de la paroi interne des botes qui est de l'ordre de 700C à 1000C entre le bas et le haut de la boîte. Avec les botes selon l'invention, cette différence est très atténuée. L'augmentation de la vitesse de circulation de l'eau dans les conduits inférieurs risque d'entraîner des zones tourbillonnaires aux extrémités des conduits, là où les filets d'eau changent de direction et ces zones tourbillonnaires sont mal refroidies d'où des risques d'usure accéléré de ces zones. On remédie à ce risque en équipant les conduits inférieurs des boîtes à eau selon l'invention d'aubes déflectrices qui guident les filets d'eau ou de grilles de tranquillisation. On connaît des bottes à eau comportant des éléments en saillie sur la face externe de la paroi latérale interne destinés à accrocher des projections de scories pour former un revêtement protecteur. Ces éléments en saillie sont constitués par des demi tubes ou des profilés creux ouverts vers le haut qui doivent être soudés à la paroi sur toute leur périphérie afin d'assurer un bon écoulement des calories de l'élément vers la boîte à eau. On utilise couramment sur les chantiers de constructions métalliques chaudronnéesou mécanosoudées des goujons à souder, que l'on désigne du nom de "goujons de type Nelson", qui sont des ergots métalliques ayant par exemple une hauteur de l'ordre de 30 mm et un diamètre de l'ordre de 16 mm. Ces goujons sont appliqués contre ùne tôle par une machine à souder par point et le contact du goujon contre la tôle provoque instantanément la soudure du goujon à la tôle sur toute la section transversale du goujon. Dans les boîtes à eau selon l'invention les éléments en saillie sont constitués par de tels goujons qui sont soudés en quinconce contre la face externe de la paroi interne des boîtes, ce qui permet de réaliser très rapidement et avec une faible dépense de matériel et de main d'oeuvre des éléments en saillie qui retiennent parfaitement les scories pour constituer une couche de revêtement protecteur. Les botes à eau équipées de goujons à souder constituent une application nouvelle de ces goujons à souder qui ne découle pas avec évidence des emplois connus de ces goujons qui sont utilisés comme supports mécaniques. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de boîtes à eau selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale et la figure 2 une coupe horizontale selon II-II d'un four électrique à arc équipé de boîtes à eau. La figure 3 est une vue de face d'une boîte à eau selon l'invention. Les figures 4 et 5 sont des coupes verticales d'une boîte à eau selon l'invention en cours de fabrication et une fois assemblée. La figure 6 est une vue à grande échelle, en coupe verticale, d'un conduit en cours de réalisation d'une soudure interne. La figure 7 est une vue selon Vil-Vil de la figure 6. La figure 8 est un diagramme comparatif des températures de paroi. Les figures 1 et 2 représentent très schématiquement un four électrique à arc 1, par exemple un four de fusion utilisé pour la fabrication de l'acier. Ce four comporte une sole 2 en briques réfractaires dans laquelle se trouve le bain en fusion 3. Les repères 4 désignent les électrodes. Le repère 5 désigne le bord supérieur de la sole 2 qui se trouve plus haut que la surface du bain. Au-dessus du bord 5, les parois latérales du four sont constituées par des boîtes à eau juxtaposées 6-1, 6-2...6-i...6-n, qui constituent une paroi démontable. Chaque boîte à eau comporte une entrée d'eau froide 7 et une sortie d'eau chaude 8. Chaque boîte à eau est composée d'une paroi latérale interne 9 située dans le four et d'une paroi latérale externe 10 située à l'extérieur du four et de parois d'extrémité 11 qui complètent la botte.Les parois latérales 9 et 10 peuvent être planes ou cintrées. Chaque botte à eau comporte, en outre, des cloisons transversales 12 qui sont disposées par exemple horizontalement. Les cloisons 12 sont perpendiculaires aux parois latérales 9 et 10 et elles délimitent avec celles-ci des conduits 13 dans lesquels l'eau de refroidissement circule en zig zag. La figure 3 montre la disposition des cloisons 12 qui sont décalées alternativement d'un côté et de autre pour former des chicanes en forme de labyrinthe. Dans la boîte à eau représentée sur la figure 3, l'entrée et la sortie d'eau sont situées toutes deux côte à côte à l'extrémité supérieure de la boîte 6. L'entrée d'eau est reliée par un conduit périphérique 14 à l'extrémité inférieure par laquelle l'eau froide pénètre dans le labyrinthe. La figure 4 représente un premier stade de fabrication d'une boîte à eau selon l'invention. On voit sur cette figure une portion des deux parois latérales 9 et 10 qui sont des tôles d'acier doux ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 10 à 20 mm. Chaque cloison 12 est d'abord soudée le long d'un de ses bords longitudinaux, sur la face interne d'une des tôles 9 ou 10. On voit sur la figure 4 les cordons de soudure interne 15. Les cloisons 12 sont soudées alternativement sur l'une et sur l'autre des deux tôles 9 et 10. On rapproche ensuite celles-ci jusqu'à ce que le bord libre des cloisons 12 vienne en butée contre l'autre tôle, de sorte que les cloisons 12 délimitent alors avec les tôles latérales 9 et 10 des conduits ou canaux horizontaux 13 de section rectangulaire.On complète ensuite la bote par des parois d'extrémité qui relient entre elles les tôles 9 et 10 et dans les boîtes connues à ce jour, la fabrication en reste là, de sorte que les conduits 13 sont délimités par des parois qui sont seulement appliquées l'une contre l'autre le long de deux arêtes longitudinales sur quatre. L'étanchéité de ces canaux n'est pas assurée et une partie de l'eau circule suivant des trajets autres que le trajet sinueux général. Il risque alors de se créer des cheminements préférentiels d'où des zones mal irriguées où la température peut atteindre des valeurs dangereuses. La figure 5 représente une coupe verticale partielle d'une botte à eau selon l'invention terminée. Dans celle-ci chaque cloison transversale 12 est soudée intériurement le long de ses deux bords longitudinaux, aux deux tôles 9 et 10 non seulement par les cordons de soudure 15 mais également par des cordons. de soudure 16 disposés le long des deux autres bords longitudinaux. Evidemment, les deux cordons de soudure 16 présentent une diffi culté d'exécution car ils doivent être réalisés après que les deux tôles 9 et 10 ont été rapprochées pour venir au contact des cloisons 12 et la section des canaux 13 ne permet pas d'effectuer les cordons de soudure 16, soit manuellement, soit avec l'une des machines à souder connues. Pour réaliser les soudures 16, il a été nécessaire de concevoir un dispositif de soudure qui sera décrit ci-après en référence aux figures 6 et 7. Avant d'aborder la description de ce matériel, on voit sur la figure 3 que l'espacement e entre les cloisons 12 est variable. Par exemple les cloisons 12 sont disposées dans le bas de la boîte à eau avec un espacement el puis avec un espacement e2 > el dans la partie médiane et avec un espacement e3 > e2 dans la partie haute. L'espacement el peut aussi varier en passant de chaque conduit au suivant. Comme les canaux sont étanches, le même débit circule en série dans tous les canaux et il en résulte que la vitesse de circulation dans les canaux 13 du bas de la boute est plus grande que dans les canaux situés à la partie haute qui est plus éloignée du bain en fusion et du rayonnement de l'arc. On obtient ainsi un meilleur refroidissement de la partie inférieure et une température de la paroi interne 9 plus uniforme. La figure 8 représente,en abscisses, la température de la paroi interne 9 et, en ordonnées, la hauteur H d'un point de la paroi interne. La courbe C1 représente les variations de la température de la paroi interne avec la hauteur dans le cas d'une boîte à eau ayant des canaux 13 de section uniforme. La courbe C2 représente, à titre comparatif, les variations de la température de la paroi interne avec la hauteur dans le cas d'une boîte à eau selon la figure 3 ayant des cloisons transversales 12 dont l'écartement croît du bas vers le haut de la botte. On voit que l'écart de température entre le bas et le haut est de l'ordre de 100"C dans le cas de la courbe C1 et n'est plus que de quelques dizaines de degrés dans le cas de la courbe C2. La figure 3 montre une boîte à eau selon l'invention qui comporte des aubes déflectrices 17, qui sont constituées par des tôles cintrées placées à l'extrémité des conduits inférieurs 13 pour guider les filets d'eau. De même, on a représenté sur la figure 3 une boîte à eau qui est équipée de grilles de tranquillisation 18 qui sont placées à l'extrémité des canaux 13 inférieurs. Les aubes 17 et les grilles 18 évitent la formation de zones tourbillonnaires qui seraient mal refroidies dans la partie inférieure des bottes à eau où la vitesse de circulation de l'eau est la plus grande et où ces tourbillons risquent donc de prendre naissance. Les figures 6 et 7 représentent une vue partielle d'un dispositif de soudure qui permet de réaliser des boîtes à eau selon l'invention. Ce dispositif doit répondre à deux objectifs. Il doit permettre de réaliser les cordons de soudure 16 et il doit également s'adapter facilement aux variations de l'écartement e entre les cloisons 12. La figure 6 représente une coupe partielle verticale analogue à celle de la figure 5. On voit sur cette coupe la paroi latérale interne 9 et la paroi latérale externe 10 et deux cloisons transversales superposées 12a et 12b qui délimitent un conduit 13. Les cordons de soudure 15 qui fixent respectivement la plaque 12b à la paroi 9 et la plaque 12a à la paroi 10 ont été réalisés avant le rapprochement des plaques. Les deux cordons 15 sont situés dans un plan diagonal du conduit 13. Le problème à résoudre est de réaliser les deux cordons de soudure 16a et 16b situés dans l'autre plan diagonal PP'. Les figures 6 et 7 représentent un exemple dans lequel le cordon 16b a déjà été effectué et on est en train de réaliser le cordon 16a. Le dispositif utilisé comporte une torche de soudure courbe 19, par exemple une torche de soudure électrique à électrode consommable 20. Cette torche est équipée d'un câble électrique 21 qui amène le courant de soudure et de moyens connus pour dévider l'électrode consommable 20. Elle comporte un câble de traction 22 ou tout autre moyen équivalent qui permet de déplacer la torche longitudinalement à l'intérieur du canal 13. La torche 19 est équipée de moyens de guidage qui doivent maintenir constamment et automatiquement l'extrémité de la torche à une distance du cordon de soudure 16a telle que la qualité de la soudure soit bonne. Comme on le voit sur la figure 6, la torche 19 est disposée dans le plan diagonal PP' du conduit parallèle à l'axe longitudinal dudit conduit dans lequel sont situés les cordons de soudure 16a et 16b. La torche 19 comporte deux galets fixes 23 et 24 qui sont situés de part et d'autre de la torche, le galet 23 à proximité de l'extrémité de la torche et le galet 24 à quelque distance en arrière de cette extrémité. Les galets 23 et 24 sont situés dans le plan PP' et roulent en suivant les deux arêtes du conduit 13 situées dans le plan diagonal PP'. On voit que les galets ne peuvent pas s'écarter de l'arrête qui forme une goulotte que le galet est obligé de suivre. Comme les deux galets 23 et 24 sont décalés longitudinalement et que la torche 19 est courbe, si l'écartement e entre les cloisons 12a et 12b varie lorsqu'on passe d'un canal 13 au suivant, il suffit de faire varier l'inclinaison de la torche par rapport à l'axe longitudinal du conduit pour faire varier la distance verticale entre les deux galets et pour adapter celle-ci à la longueur de la diagonale du conduit 13. La torche 19 comporte, en outre, deux autres galets de guidage 25 et 26 qui sont montés chacun sur un bras mobile,respectivement 27 et 28, articulé autour d'un axe 27a et 28a qui est perpendiculaire au plan diagonal PP'. Comme on le voit sur la figure 6, les bras 27 et 28 peuvent être formés de deux branches parallèles. Les bras 27 et 28 sont situés l'un au-dessus et l'autre audessous de la torche 19 et ils se déplacent en maintenant les galets dans le plan diamétral PP', de sorte que les galets 26 et 27 roulent en suivant les mêmes arêtes du conduit 13 que les galets fixes 23 et 24. Des ressorts 29 et 30 rappellent les bras mobiles 27 et 28 vers les galets fixes 23 et 24 et maintiennent fortement les galets 25 et 26 contre les arêtes situées dans le plan diagonal PP'. On a représenté sur la figure 5 des éléments 31 fixés en saillie sur la face externe de la paroi interne 9, c'est-à-dire sur la face située à l'intérieur du four. Selon l'invention, ces éléments en saillie sont des goujons à souder, connus sous le nom de goujons "de type Nelson" qui sont appliqués et soudés par point au moyen d'un appareil connu, sur la paroi 9. Ces goujons 31 sont ainsi soudés instantanément sur toute leur section, de sorte que l'évacuation des calories vers la boîte à eau est bonne et ces goujons placés en quinconce conviennent parfaitement bien pour servir d'élement d'accrochage des projections de scories et de bottier, de sorte que celles-ci forment une couche de revê- tement réfractaire qui protège les tôles 9. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs des botes à eau qui viennent d'être décrites à titre d'exemple pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Botte à eau pour le refroidissement des parois latérales d'un four de fusion à arc, laquelle boîte comporte deux parois latérales interne et externe en tôle d'acier et des cloisons transversales qui sont dispo sées entre lesdites parois latérales, perpendiculairement à celles-ci et qui délimitent, avec lesdites parois latérales, des conduits paral lèles dans lesquels l'eau de refroidissement circule, caractérisée en ce que chacune desdites cloisons transversales est soudée intérieurement auxdites parois latérales, le long de ses deux bords longitudinaux. 2 - Bote à eau selon la revendication 1 dans laquelle lesdites cloisons transversales sont horizontales, caractérisée en ce que l'espacement en tre les cloisons est plus faible dans le bas de la boîte que dans la partie haute. 3 - Bote à eau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté risée en ce qu'elle comporte des aubes déflectrices situées à l'extrémi- té desdits conduits inférieurs pour guider les filets d'eau et éviter les zones tourbillonnaires. 4 - Boîte à eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté rise en ce qu'elle comporte des grilles de tranquillisation située en travers desdits conduits inférieurs. 5 - Boîte à eau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 compor tant des éléments saillants sur la face externe de ladite paroi latérale interne qui retiennent les scories, caractérisée en ce que lesdits élé ments sont des goujons à souder qui sont soudés électriquement par points sur toute leur section. 6 - Appareil destiné à fabriquer des bottes à eau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une torche de soudure courbe destinée à effectuer les soudures internes de l'un des bords longitudinaux de chacune des dites cloisons transversales et des moyens pour déplacer longitudinalement ladite torche à l'intérieur de chacun desdits conduits en la guidant pour la maintenir dans le plan diagonal du conduit contenant la soudure. 7 - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite torche comporte deux galets fixes situés de part et d'autre de la torche et deux galets montés sur deux bras mobiles situés également de part et d'autre de la torche, lesquels galets sont situés tous les quatre dans un même plan diagonal, parallèle à l'axe longitudinal de la torche, et guident la torche en roulant le long des deux arêtes opposées, situées dans ledit plan diagonal. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun desdits bras mobiles est articulé autour d'un axe transversal perpendiculaire audit plan diagonal et est rappelé par un ressort vers le galet fixe situe du même côté de la torche. 9 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractéri sé en ce que les deux galets fixes sont décalés longitudinalement.