Brevet FR2468092A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne un four de cuisson, du type à chambres disposées en anneau, pour réaliser des corps ou objets en carbone pour les industries électro-métallurgiques. L'invention concerne, en particulier, le couvercle ou chapeau placé sur les chambres individuelles d'un tel four. Les corps en carbone que l'on utilise dans les fours, ou pots, pour la réduction électrolytique de l'alumine en aluminium sont constitués d'un mélange ou d'une pite consistant en de l'anthracite calciné ou en du coke de pétrole avec du brai,en des proportions variant selon les matières premières et l'utilisation prévue pour le corps en carbone. Le brai joue le rôle d'un agent de liaison. Les corps en carbone sont utilisés également dans des fours destinés à des procédés électrothermiques, dans des revêtements et à titre d'électrodes. On peut les produire à partir d'autres mélanges, mais selon les mêmes principes. Telle qu'elle sort de la machine à mélanger, cette pite est ferme à la température ambiante, plus molle entre 1000 et 1500C et, à des températures plus élevées, les constituants volatils seront chassés et l'agent de liaison carbonisé, de sorte que la pâte devient rigide et dure. Ce traitement thermique est désigné comme étant une cuisson. La cuisson d'une anode dans une cellule de réduction électrolytique peut, par exemple, être réalisée sous l'effet de la chaleur engendrée par le procédé, mais l'on préfère normalement aujourd'hui effectuer cette cuisson dans des fours séparés, car cela permet une meilleure maîtrise de la cuisson et donc des propriétés du produit terminé. Des corps en carbone que l'on place dans un four de ce type pour leur cuisson sont souvent désignés comme étant des "corps en carbone vert" (expression dans laquelle le mot "vert" indique que les objets "ne sont pas murs!. On produit les objets en carbone vert par compression ou vi- bration, et ils peuvent présenter des dimensions considérables. Des objets en carbone pour des cathodes peuvent mesurer par exemple 700 x 900 x 4000 mm et peser environ 4 tonnes. Il est clair que lorsqu'on chauffe un tel corps pour le faire passer per une zone de température dans laquelle il se ramollit, ce corps risque de se déformer si l'on ne prend pas des mesures spéciales pour éviter de telles déformations. C'est pourquoi on place les corps en carbone vert dans de grands puits ou de grandes cavités ménagés dans les chambres. Ces puits sont réalisés à l'aide de matières réfractaires, et l'espace situé entre les corps en carbone et les parois du puits est rempli de poussier de coke qui sert également à protéger les corps en carbone vert contre la combustion. Un certain nombre de puits forment une chambre et un certain nombre de chambres sont construites côte à côte, de façon à former un four annulaire dont chaque chambre est surmontée d'un couvercle séparé. Des gaz chauds de combustion sont conduits dans une chambre. Ils traversent les parois creuses d'un puits réfractaire et vont de là à la chambre suivante. La zone de combustion se déplace dans la totalité du four afin d'utiliser le mieux possible la chaleur. Lorsque la cuisson des corps en carbone vert est entièrement achevée, il faut laisser les chambres contenant ces corps en carbone terminé refroidir durant un certain temps, avant de pouvoir enlever le coke de garnissage et soulever les objets en carbone terminé. Le cycle complet prend environ trois semaines. Des fours du type à chambres disposées en anneau sont grands. Des grues placées sur le four peuvent, par exemple, avoir une porte de 30 mètres et l'installation est onéreuse. I1 est donc nécessaire d'utiliser efficacement l'énergie calorifique et de diminuer par des mesures appropriées le temps du travail à consacrer. Les opérations physiques impliquées dans le fonctionnement des fours à chambres en anneau concernent principalement le vidage des chambres à la fin d'un cycle, et le remplissage des chambres avec des corps en carbone vert et avec du coke de garnissage pour le cycle suivant. On commence à vider les chambres en soulevant le couvercle de la chambre individuelle puis en aspirant le coke de garnissage afin de pouvoir accéder aux corps en carbone cuit. La Demanderesse a trouvé que le modèle habituel de couvercle placé sur les chambres de cuisson n'est pas satisfaisant. Ces couvercles sont grands, certains ont 5 x 7 mètres et pèsent environ 20 tonnes. Ils consistent en un cadre carré, constitué par des éléments en acier moulé boulonnés ensemble. Les briques réfractaires sont maintenues à l'intérieur de ce cadre, sous forme d'une arche qui se supporte d'elle-même. Des sections d'acier disposées au-dessus de ces briques à partir des bords du cadre se croissent en quatre points. Ces points jouent le rôle de points d'ancrage pour soulever et transporter le couvercle. Ce type de couvercle est lourd et peu maniable. En outre, il ne procure qu'une étanchéité médiocre et s'oppose mal à l'entrée d'un air peu souhait dans la chambre. La Demanderesse a effectué des essais avec un nouveau modèle de couvercles. Ces couvercles ont été réalisés en des plaques d'acier soudées ensemble, afin de former un objet étanche aux gaz et ils ont été revêtus, du côté chaud, par des mats en fibres céramiques et aussi par des éléments préfabriqués et présentant une compression permanente. On sait généralement que les matières contenant A1203 - Si02 ont des points élevés de fusion et que, lors de leur refroidissement rapide, les matières de la masse fondue forment une structure vitreuse métastable. Cela est exploité à l'échelle industrielle pour la production de matières fibreuses légères résistant aux températures élevées. La Demanderesse a montré, lors de ses essais, qu'un degré considérable de cristallisation peut se produire dans les fibres en moins de 300 heures à des températures inférieures de 7000C au point de fusion des fibres lorsque celles-ci sont exposées à l'atmosphère d'un four ordinaire dans le cas des fours à chambres disposées en anneau. La Demanderesse a noté en outre que lorsque la matière présente un degré de cristallisation aussi faible que 40 à 50 %, elle peut atteindre jusqu'à 6 DD de retrait, et que la matière devient ainsi très fragile. On connait différents procédés pour fixer, à l'aide d'adhésifs ou de dispositifs mécaniques de fixation, les surfaces parallèles de support des mats de fibres. La Demanderesse a effectué des essais en appliquant différents procédés de fixation pour des mats de différentes qualités et dimensions, ces mats étant disposés parallèlement à la structure de support avec des joints à recouvrement. Ce modèle de couvercle s'est bien comporté, mais la couche de la surface des mats de fibres céramiques a montré des craquelures et une usure considérables qui ont provoqué une plus grande perte de chaleur et entraîné une quantité relativement grande de travaux d'entretien. On a donc trouvé que la matière ne pouvait servir dans les conditions auxquelles un couvercle pour chambres en anneau est soumis lorsqu'il fonctionne à des température de crête de la phase gazeuse pouvant atteindre 13000C. I1 est clair que ces difficultés peuvent être attribuées à l'inégalité de la surface, à la cristallisation et à la fragilisation de la matière. Alors que ces phénomènes de cristallisation et de retrait ont provoqué des craquelures, on a trouv une érosion considérable (cavitation) dans certaines parties de la surface inégale où les gaz du puits ou du pot peuvent atteindre des vitesses de 8 mètres par seconde. On connaît des solutions selon lesquelles des bandes d'une matière céramique sont fixées à angles droits sur la surface inférieure, à l'aide de colle ou de dispositifs mécaniques, avec éventuellement aussi des segments précontraints à l'aide de dispositifs temporaires ou permanents de fixation (voir par exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 854 262). Comme mentionné ci-dessus, la surface rugueuse d'un couvercle de chambre de four annulaire est soumise, au cours de son utilisation, à une érosion due aux fumées du four. Cela signifie que des traces des constituants générateurs de cendres et de composés du soufre peuvent exister dans les fumées, et peuvent facilement pénétrer dans la surface relativement poreuse. Ces deux phénomènes diminuent le pouvoir isolant et la durée de service utile d'un tel couvercle pour chambre de four annulaire. Après un certain nombre d'essais effectués avec des éléments préfabriqués et soumis à une compression permanente, la Demanderesse est parvenue à un modèle d'isolement de surfaces utilisant des corps creux se recouvrant, fixés directement à l'enveloppe, ce qui permet de présenter une surface lisse aux fumées et de faire absorber les dilatations et contractions par les zones de recouvrement entre les corps. La Demanderesse a trouvé que l'on peut rendre encore plus étanche la surface de la matière lorsqu'on humecte celle-ci à l'aide d'une suspension de"verre soluble'Yalumine ou de "verre soluble"/oxyde de magnésium. L'énergie nécessaire à la cuisson d'un corps en carbone est obtenue en partie par la combustion des matières volatiles provenant des objets en carbone vert et par la combustion du coke de garnissage. I1 est cependant nécessaire de fournir un supplément d'énergie par la combustion d'un mazout ou d'un gaz. Les fours à chambres en anneau que le présent mémoire concerne sont chauffés au mazout et des essais ont montré que,lorsqu'on utilise le modèle proposé, il est possible de diminuer de 20 à 25 m la consommation du mazout. En plus des grandes économies financières, le nouveau modèle de couvercle permet un meilleur environnement interne dans la salle contenant le ou les fours, sous forme d'une plus basse température ambiante, notamment en saison chaude (été). En outre, le poids des couvercles peut être réduit à moins du quart, cependant que ces couvercles peuvent être empilés l'un sur l'autre en plusieurs couches, ce qui prend moins de place. Pour lever et transporter les couvercles, on peut donc donner, de façon correspondante, des dimensions plus petites aux grues, aux voies sur lesquelles les grues se déplacent, et aux poutres ou flèches supportant les poids. Les couvercles selon l'invention seront maintenant décrits plus en détail à titre d'exemple nullement limitatif, en regard de la figure unique annexée. La structure 1 de support est constituée de morceaux de plaque d'acier soudés ensemble et cette structure est ainsi étanche aux gaz. L'enveloppe en acier est renforcée par des nervures 2. De cette façon, chaque couvercle présente une surface permettant d'empiler simplement les couvercles en plusieurs couches. Les éléments 3 d'isolement thermique sont maintenus par des boulons 4 et ont une surface 5 constituant un joint étanche de glissement sur les éléments adjacents. Les éléments préfabriqués consistent en des blocs formés à la presse, pleins ou creux, de fibres céramiques ayant une surface lisse. L'étanchéité peut encore être améliorée lorsqu'on humecte les éléments à l'aide d'une suspension de "verre soluble" (ortho-silicate et notamment ortho-silicate alcalin) et d'un oxyde de métal, de préférence un oxyde de Al, Mg ou Cr. Entre l'enveloppe en acier et les éléments d'isolement, on peut avantageusement placer des mats 6 d'isolement qui ne doivent pas nécessairement être réfractaires et sont donc moins onéreux. Sur le couvercle est soudé un bossage 7 qui supporte le poids lorsque les couvercles sont empilés les uns sur les autres, ce qui protège les éléments d'isolement thermique qui sont légers et ne présentent pas une résistance mécanique particulièrement élevée. Les bossages 7 comportent des boulons, des trous ou oreilles 8 permettant de fixer l'équipement de manutention, levage et/ou transport. I1 va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au couvercle décrit et représenté. REVENDICATIONS 1. Couvercle pour four de type annulaire destiné à la cuisson de corps en carbone, ce couvercle étant caractérisé en ce qu'il est constitué par des plaques d'acier et en ce qu'il est revêtu, du côté chaud, par un matériau réfractaire consistant en des éléments en fibres céramiques comprimées et mises en forme, et en ce que ces éléments comportent des surfaces qui se chevauchent et peuvent glisser. 2. Couvercle selon la revendication 1, caractérisé en ce que des mats d'isolement sont disposés entre l'enveloppe en acier du couvercle et les éléments en fibres céramiques. 3. Couvercle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des bossages, protubérances ou organes analogues soudés sur ce couvercle, afin de supporter le poids d'autres couvercles en cas d'empilement des couvercles les uns sur les autres.