Brevet FR2471416A1 — publié le 19810619

I 2471416 ELEMENTS REFRACTAIRES POREUX ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne des éléments réfractaires poreux desti- nés à être traversés par un fluide gazeux sous pression. On sait depuis longtemps, à partir de matériaux réfractaires à granulométrie sélectionnée (brevet français n0 I 094 809), fabriquer ce type d'éléments que l'on implante ensuite, par exemple, dans la maçonnerie réfractaire d'un récipient métallurgique en vue de permettre une introduc- tion d'un gaz de traitement sous forme d'une multitude de petites bulles dans le métal en fusion contenu dans le récipient. On sait également que l'un des impératifs majeurs consiste à assurer l'étanchéité au gaz entre l'élément poreux et la paroi réfractaire dans laquelle il est incorporé afin d'éviter une introduction directe du gaz dans le métal sous forme de jets de grosses bulles, ainsi qu'une déperdi- tion latérale du gaz dans le revêtement réfractaire environnant. A cette fin, il est connu d'entourer étroitement l'élément par une enveloppe métallique, par exemple une tôle mince en acier, que l'on obture à l'une de ses extrémités par une plaque de base équipée de moyens d'amenée du gaz de soufflage. L'enveloppe et la plaque définissent un réceptacle dans lequel la masse poreuse n'apparaît plus que par une seule face libre, laquelle est destinée à être mise au contact du métal en fusion. L'usage d'une telle enveloppe semble désormais assez généralisé car, en plus de sa fonction d'étanchéité latérale, elle présente d'autres avan- tages substantiels parmi lesquels on peut citer (Certificat d'Addition n0 65 904): la possibilité d'une part de constituer, en association avec la plaque de base, une coquille de moulage de la masse poreuse et d'autre part, grâce à sa surface extérieure régulière et bien lisse, de permettre son application étroite sur la paroi du trou pratiqué dans le revêtement réfractaire qui reçoit l'élément ou de faciliter le retrait de ce dernier en vue de son remplacement, après usure par exemple. On peut encore signa- ler le rôle de cette enveloppe en tant qu'armature de renfort protégeant la masse poreuse contre des chocs éventuels au cours du transport ou de la manutention. Toutefois, à c8té de ces avantages, la présence d'une enveloppe métal- lique conduit en règle générale à un certain nombre d'inconvénients dont l'un des plus conséquents résulte d'une dégradation assez rapide de l'étan- chéité initiale du joint masse poreuse-enveloppe. Au cours de leurs expériences, les inventeurs ont constaté en effet 39 que l'enveloppe se gonfle lors du soufflage gazeux et que du métal en 2 2471416 fusion s'infiltre dans l'espace ainsi rendu disponible entre l'enveloppe et la masse réfractaire. Ces infiltrations sont responsables d'une mise au rebut assez précoce de l'élément, car d'une part, elles déterminent dans leur voisinage immédiat des passages privilégiés pour le gaz dont la majeu- re partie ne traverse alors plus la masse poreuse, et d'autre part, elles peuvent pénétrer profondément dans l'élément jusqu'à venir boucher les moyens d'amenée du gaz équipant la plaque de base, ce qui n'est pas sans présenter certains dangers. La présente invention a pour but de remédier à ce type d'inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un élément réfractaire poreux destiné à être traversé par un fluide gazeux sous pression comprenant une masse réfractaire poreuse placée dans un réceptacle métallique constitué par une enveloppe latérale et une plaque de base équipée de moyens d'alimen- tation en gaz, caractérisée en ce que la plaque de base est pourvue sur sa face intérieure d'au moins une chicane cylindrique coaxiale à l'enveloppe et s'étendant sur une hauteur inférieure à celle de l'enveloppe. Selon les caractéristiques de l'invention, cette chicane est simplement constituée par une virole métallique. Conformément à une réalisation préférée de l'invention, la masse réfractaire est composée d'une partie centrale poreuse entourée par une couche de béton réfractaire compacte, la chicane prenant position-entre cette partie centrale et la couche périphérique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de l'élé- ment réfractaire poreux, selon lequel le réceptacle métallique constitue la coquille de moulage de la masse réfractaire, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à prendre une couronne métallique profilée en U asymétrique dont la grande branche, disposée extérieurement, constitue l'enveloppe latérale et la petite branche constitue la chicane, à remplir cette couron- ne par un béton réfractaire compact de façon à obtenir une couche périphé- rique étanche, à retourner l'ensemble obtenu et à le poser sur une surface support temporaire, puis à remplir la cavité centrale, définie par la couronne, par un béton réfractaire poreux et enfin à obturer l'orifice de remplissage par une plaque équipée de moyens d'alimentation en gaz et fixée de façon étanche à la base de la couronne. Comme on le comprend, la présente invention consiste donc fondamenta- lement à décharger l'enveloppe métallique de sa fonction d'étanchéité latérale au gaz en lui substituant, à cette fin, une chicane annulaire intérieure. La fixation de cette dernière sur la plaque de base lui permet, 39 de surcroit, de constituer une butée d'arrêt à l'égard des infiltrations de 3 247141 6 métal en fusion qui ont lieu entre l'enveloppe et la masse poreuse et d'em- pêcher celles-ci de venir obstruer les moyens d'amenée du gaz de soufflage. En fait, en l'absence de toute autre disposition, la chicane ne rem- place que partiellement l'enveloppe dans son r8le d'étanchéité latérale au gaz car cette chicane ne peut s'étendre depuis la plaque de base sur une hauteur égale à celle de l'enveloppe. On comprend en effet que l'on se trouverait sinon dans une situation analogue à celle connue décrite aupara- vant avec les inconvénients auxquels la présente invention se propose précisément de remédier. Toutefois, lorsque, selon une disposition connue (Brevet Français n0 1 162 727), une couche annulaire de béton compact, étanche au gaz, est prévue autour de la masse poreuse interne, et que, conformément à l'inven- tion, la chicane est placée en interposition entre les deux, la couche compacte prolonge la chicane dans sa fonction d'étanchéité latérale jusqu'à la surface libre de la masse poreuse par laquelle s'échappent les petites bulles de gaz. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressor- tiront plus clairement au vu de la figure unique représentant, en coupe axiale, un mode de réalisation préféré mais non limitatif d'un élément réfractaire poreux répondant aux caractéristiques de l'invention. L'élément représenté sur la figure est constitué par une masse réfrac- taire I logée dans un réceptacle métallique 2, de manière à ne laisser apparaître qu' une surface libre 3, laquelle est destinée à être mise au contact du métal en fusion lorsque l'élément se trouve incorporé au revête- ment réfractaire d'un récipient métallurgique. Dans l'exemple décrit, la masse réfractaire 1 est constituée de deux parties concentriques: une partie interne 4 en matériau réfractaire poreux, perméable au gaz, et une couche annulaire 5, de 2 cm d'épaisseur environ, entourant le coeur 4 et réalisée en un béton réfractaire compact, de très fine granulométrie, de manière à être le plus possible imperméable aux gaz. Le réceptacle métallique 2, en tôle d'acier doux de 1,5 mm d'épaisseur est composé d'une enveloppe latérale 6 dont une base est fermée par un fond 7 équipé en son milieu d'une conduite 8 pour l'introduction du gaz de souf- flage. On voit que l'enveloppe 6 présente un profil convergent régulier depuis le fond 7 jusqu'au niveau de la surface libre 3, c'est-à-dire dans le sens de soufflage du gaz. Il s'agit là d'une disposition classique, conférant à l'élément une forme de tronc de pyramide à base rectangle ou carrée et pouvant éventuellement ne présenter que deux faces (opposées) 39 inclinées, les autres étant parallèles. On rappelle que cette forme parti- culière permet d'une part, de faciliter l'insertion sans jeu de l'élément dans l'orifice du revêtement réfractaire destiné à le recevoir et d'autre part, une fois l'élément en place, d'assurer le blocage de la masse réfrac- taire 1 qui, sinon, risque, sous l'effet du gaz sous pression insufflé par la conduite 8, d'être éjectée dans le métal en fusion. On remarque par ailleurs que, pour obtenir une répartition optimale du gaz dans la masse poreuse 4, il est prévu de ménager à la base de celle-ci un trou borgne 9 définissant une chambre de répartition gazeuse dans la- quelle débouche la conduite 8. Cette chambre communique avec un espace de répartition 10 confiné entre le fond 7 et la masse poreuse 4, et s'étendant sur toute la surface de base de cette dernière. Conformément à l'objet de l'invention, l'élément présente intérieure- ment une chicane cylindrique 11, coaxiale à l'enveloppe 6 et solidaire du fond 7 de façon étanche sur tout son périmètre. Comme le montre la figure, cette chicane est simplement constituée par une cloison métallique paral- lèle à l'enveloppe 6 mais s'étendant impérativement sur une hauteur infé- rieure à celle de cette dernière. Des indications plus précises sur la hauteur optimale de cette chicane sont fournies plus loin. Auparavant, il doit être remarqué que, dans l'exemple décrit, la chicane Il n'est pas rapportée sur le fond 7 mais constitue la petite branche d'un profilé en U asymétrique dont l'enveloppe 6 représente l'autre branche et dont la base, référencée 12, délimite la périphérie du fond 7,- la partie centrale de celui-ci étant constituée par un disque 13 rapporté de façon étanche sur la base 12 au moyen d'un cordon de soudure 14. Il est à remarquer également que, conformément à une caractéristique particulière de l'invention, la chicane Il est disposée dans l'élément, de manière à prendre place dans la zone de jonction entre le coeur poreux 4 et la couche compacte 5. On va maintenant décrire un mode de fabrication de l'élément représen- té sur la figure. On dispose au départ d'un profilé métallique en U asymé- trique incliné d'environ 2 cm de large et dont on -découpe une longueur égale au périmètre du fond de l'élément qu'on veut réaliser. Ce profilé est ensuite découpé en quatre parties égales deux à deux de manière appropriée, c'est-à-dire en tenant compte des effets de conicité. On réunit ensuite ces parties entre elles par soudure des arêtes de façon étanche, de manière à réaliser une gouttière fermée sur elle-même et profilée en U asymétrique dont la grande branche 6 est placée à l'extérieur. On remplit alors l'espace disponible entre les deux branches par un béton réfractaire 5 à grain le 39 plus fin possible. Cette opération s'effectue sans précaution particulière 247141 6 si le béton présente une consistance suffisante. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si le béton 5 doit être coulé, il faut prévoir un noyau amovi- ble#que l'on fait momentanément reposer sur le sommet de la petite branche 11, et qui définit avec la grande branche 6 un espace cylindrique d'épais- seur constante, égale à la largeur de la base 12 de la gouttière. Le béton compact est alors coulé dans cet espace et le noyau est retiré lorsque le béton est devenu suffisamment rigide pour se maintenir de lui-même. La pièce obtenue est retournée, puis posée sur une surface-support fermant temporairement une extrémité de la cavité centrale de la gouttière. Par l'extrémité supérieure laissée ouverte, on remplit cette cavité avec un béton réfractaire poreux 4. On arrête le remplissage un peu avant que le niveau du béton n'atteigne celui de la base 12 de l'U, afin de préserver, dans l'élément achevé, l'espace de répartition gazeux 10. En outre, par tout moyen approprié, on ménage au centre de la masse poreuse un évidement destiné à constituer la chambre de répartition 9. Ces opérations une fois effectuées, on obture l'extrémité de remplis- sage au moyen d'une plaque métallique 13 rapportée de façon étanche sur la base 12 de la gouttière et portant la conduite 8 d'amenée du gaz de soufflage. L'assemblage étanche entre la plaque 13 et la base 12 est réalisé par un cordon de soudure 14. L'élément ainsi réalisé est alors retiré de la surface support et après séchage et cuisson douce, se trouve prit à l'emploi. Les infiltrations de métal en fusion entre l'enveloppe 6 et la couche compacte 5 ne sont alors plus préjudiciables car, au pire, elles atteignent la base de la chicane Il en passant sous la couche 5, cette chicane consti- -25 tuant alors un obstacle qui arrête la progression des infiltrations et les empêche, de ce fait, d'atteindre la conduite de soufflage 8. Par ailleurs, cette chicane Il constitue à l'égard du gaz traversant la masse poreuse 4 un déflecteur qui le canalise en direction de la surface libre 3 en l'empêchant de se disperser latéralement vers l'enveloppe 6. Il doit être noté que, dans l'exemple décrit, la couche de béton compact 5 peut être capable, à elle seule, d'assurer la canalisation du gaz. Toutefois, l'invention ne se limite pas à cette forme de réalisation, mais s'étend au cas bien connu o toute la masse réfractaire 1 perméable au gaz et, dans ce cas, seule la chicane Il assure cette fonction de déflecteur. A cet égard, il pourrait apparaître souhaitable que la chicane Il s'étende sur toute la hauteur de la masse réfractaire 1, c'est-à-dire sur une hauteur égale à celle de l'enveloppe extérieure 6 de manière à canaliser le gaz jusqu'à la surface libre 3. En fait, une telle disposition est à 39 rejeter, car l'extrémité de la chicane Il viendrait alors en contact avec le métal en fusion contenu dans le récipient métallurgique et l'on retrou- verait à ce niveau tous les problèmes résultant des infiltrations de métal en fusion. En réalité, la hauteur optimale pour la chicane est sensiblement égale à la hauteur restante de l'ensemble de l'élément au moment de son remplacement après usure. Cette hauteur optimale est de l'ordre de 15 cm environ dans le cas d'un convertisseur. Il va de soi que la présente invention ne saurait se limiter à l'exem- ple décrit, mais s'étend à toute autre forme de réalisation de la chicane dans la mesure o elle constitue, à l'égard des infiltrations métalliques, une butée d'arrgt et à l'égard du gaz d'insufflation traversant le matériau réfractaire poreux un déflecteur ou, plus généralement, un organe à très forte perte de charge empêchant ou du moins réduisant fortement la disper- sion latérale du gaz jusqu'à l'enveloppe extérieure. REVENDICATIONS 1. Elément réfractaire perméable au gaz comprenant une masse réfractai- re, poreuse au moins dans sa partie centrale, placée dans un réceptacle métallique constitué par une enveloppe latérale obturée à l'une de ses extrémités par un fond équipé de moyens d'amenée de gaz de soufflage, caractérisé en ce que le réceptacle présente intérieurement au moins une chicane cylindrique coaxiale à l'enveloppe, solidaire du fond sur tout son périmètre et s'étendant sur une hauteur inférieure à celle de ladite enveloppe. 2. Elément réfractaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse réfractaire est constituée par une partie centrale poreuse entourée par une couche de béton compact, étanche au gaz, et en ce que la chicane est localisée entre cette partie centrale et la couche périphérique. 3. Procédé de fabrication de l'élément réfractaire selon la revendica- tion 2, selon lequel le réceptacle métallique constitue la coquille de moulage de la masse réfractaire, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une gouttière métallique fermée sur elle-même et profilée en U asymétrique dont la grande branche, disposée extérieurement, constitue l'enveloppe latérale, et la petite branche constitue la chicane, à remplir cette gout- tière par un béton réfractaire compact, de façon à obtenir une couche annulaire étanche, à retourner l'ensemble obtenu et à le déposer sur une surface-support, puis à remplir la cavité centrale définie par la gouttière et ladite surface de support par un béton réfractaire poreux et enfin à obturer l'ouverture de remplissage par une plaque de fermeture équipée de moyens d'amenée du gaz de soufflage et fixée de façon étanche sur la base de la gouttière. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on remplit la cavité centrale de la gouttière jusqu'à un niveau inférieur à celui correspondant à la base de la gouttière de manière à ménager, après obturation de l'ouverture de remplissage, un espace de répartition gazeuse. 5. Procédé de fabrication selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, après remplissage de la cavité centrale de la gouttière, on ménage dans la masse réfractaire poreuse un évidement destiné à constituer une chambre de répartition gazeuse. 6. Procédé de fabrication selon les revendications 4 et 5, caractérisé - en ce que la chambre de répartition gazeuse communique avec l'espace de répartition gazeuse confiné entre la masse poreuse et la plaque de fermeture. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce 39 que la gouttière est pourvue momentanément d'un noyau amovible reposant sur 8 2471416 l'extrémité de la petite branche et définissant avec la grande branche un espace cylindrique d'épaisseur constante égale à la largeur de la base de la gouttière, et à couler dans ledit espace un béton réfractaire compact, puis à retirer le noyau lorsque le béton a atteint un degré de rigidité suffisant pour empêcher son étalement.