Brevet FR2475529A1 — publié le 19810814

PIECE REFRACTAIRE PERMEABLE NON-POREUSE La présente invention concerne des pièces ou objets en matériau réfrac- taire non-poreux et perméables aux fluiues. On sait que certaines pratiques industrielles nécessitent la traversée d'une pièce réfractaire par un fluide, notamment à l'état gazeux. Il en est ainsi dans le domaine de l'élaboration des métaux, en parti- culier de l'acier, o l'on a déjà proposé, pour des besoins métallurgiques, d'insuffler des gaz dans un bain de métal en fusion contenu dans un réci- pient au travers de briques réfractaires perméables incorporées à la maçon- nerie du récipient à un niveau inférieur à celui de la surface du bain et, plus généralement, dans le fond. Dans ce type d'application, o le métal en fusion est en contact avec l'élément perméable, il est bien entendu nécessaire que la perméabilité de celui-ci soit sélective, c'est-a-dire qu'elle assure la traversée du gaz dans un sens sans occasionner pour autant des infiltrations de métal liqui- de en sens inverse. A cet effet, il est connu de fabriquer des matériaux réfractaires poreux à partir de matière première à granulométrie spéciale moulée et frittée conférant à la masse obtenue une micro-porosité intérieure statistiquement isotrope. Par ailleurs, il est souhaitable, sinon nécessaire, que cette perméa- bilité soit orientée, car il s'agit de diriger l'écoulement du gaz insufflé de telle manière qu'il pénètre sous pression par une face de la pièce poreu- se et en ressorte par la face opposée en contact avec le métal en fusion, sans déperdition par les faces latérales. A cette fin, il a déjà été proposé de placer la masse réfractaire poreuse dans une enveloppe étanche, par exem- ple une tole métallique ou une couche de béton réfractaire compacte de gra- nulométrie bien plus fine que celle de la région centrale. La fabrication de ce type de pièces à structure composite est chose relativement aisée. Toutefois, leur utilisation peut présenter certaines difficultés tenant notamment au problème de dilatation différentielle à chaud entre le coeur poreux et le pourtour étanche et qui conduisent à l'in- terface à la formation indésirée de passages privilégiés pour le gaz insuf- flé, avec toutes les conséquences que cela entraîne, tant sur le plan de la maîtrise de l'insufflation que sur celui de la durée de vie des pièces po- reuses. Pour pallier ces difficultés, il a été suggéré de fabriquer des pièces monolithiques à perméabilité orientée à partir d'un béton réfractaire non- 39 poreux dans la masse duquel on forme, de façon temporaire, un réseau de 2 2475529 liens orientés dans la direction voulue et dont la destruction ultérieure laisse apparaître à sa place un réseau serré de fins canaux rectilignes. Ces pièces semblent satisfaisantes dans leur utilisation. Mais, c'est au niveau de leur fabrication que des difficultés apparaissent, car elles impliquent une technique et une technologie dont on n'a pas encore, semble- t-il, défini avec précision les caractéristiques appropriées à une produc- tion industrielle. La présente invention a pour but une pièce réfractaire perméable pré- sentant les avantages cumulés d'une perméabilité orientée propre aux pièces de structure homogène, non-poreuses à canaux internes rectilignes, et de la simplicité de fabrication propre aux pièces poreuses de structure composi- te et ceci sans devoir en supporter les inconvénients respectifs. A cet effet, l'invention a pour objet une pièce perméable en matériau réfractaire non-poreux, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un as- semblage non-jointif d'éléments réfractaires non-poreux et espacés les uns des autres par des cales d'écartement calibrées, ledit assemblage étant maintenu dans une enveloppe latérale étanche avec interposition d'une cou- che de produit de jointoiement. Conformément à une caractéristique de l'invention, les cales d'écar- tement sont des corps rapportés, de forme longiligne, et orientés de façon parallèle, ou sensiblement parallèle à l'enveloppe latérale, par exemple, des fils de diamètre calibré disposés entre les éléments réfractaires ou des inserts en béton logés dans des encoches ménagées en regard l'une de l'autre sur les parois des éléments réfractaires non-poreux. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, les cales d'écartement sont d'épaisseur calibrée de manière à maintenir les éléments réfractaires espacés entre eux d'une distance comprise entre 0,1 et 0,5 mm environ et de préférence sensiblement égale à 0,3 mm. Selon une réalisation avantageuse, l'enveloppe latérale étanche est constituée de deux demi-coquilles profilées en U et solidarisées par leurs bords. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ces pièces, caractérisé en ce que l'on découpe dans le sens longitudinal une brique réfractaire non-poreuse que l'on trouve habituellement dans le com- merce, en ce que l'on reconstitue ensuite la brique initiale par frettage compressif des éléments réfractaires obtenus au moyen d'une enveloppe la- térale étanche, après avoir disposé entre eux des cales d'écartement, et en ce que l'on interpose entre l'enveloppe latérale et les éléments ré- 39 fractaires une couche de produit de jointoiement. Selon une variante mettant avantageusement en oeuvre une enveloppe latérale constituée de deux demi-coquilles en U, on applique sur la surface intérieure de celles-ci un produit de jointoiement adhérent avant de les ajuster autour de l'assemblage d'éléments réfractaires préalablement réali- sé, en les engageant respectivement par deux côtés opposés de l'assemblage de manière à placer leurs bords en regard deux à deux et en ce que l'on réunit les deux demi-coquilles entre elles par solidarisation de leurs bords respectifs tout en exerçant un effort de compression par application de deux poussées antagonistes sur la base des demi-coquilles. Conformément à une autre variante, on utilise au départ une brique du commerce en matériau réfractaire imprégné de goudron et, après découpa- ge et avant assemblage des éléments obtenus, on soumet ces derniers à une phase de chauffage tempéré afin d'éliminer les composants les plus volatils. Comme on l'aura déjà compris, l'invention consiste donc à réaliser une pièce réfractaire perméable à partir d'éléments réfractaires non-po- reux donc non-perméables en eux-mgmes. Ce résultat est atteint simplement en rassemblant les éléments de ma- nière à respecter une direction commune, mais en évitant leur contact mu- tuel au moyen de cales d'écartement qui définissent entre eux des espaces de soufflage. L'ensemble est maintenu serré dans une enveloppe étanche dont la paroi intérieure a été préalablement enduite d'un produit de jointoie- ment capable d'assurer une bonne étanchéité au droit de l'enveloppe. Dans ces conditions, l'assemblage réalisé possède une perméabilité localisée dans les plans de joint et qui présente, de ce fait, toutes les qualités requises d"'orientation". Par ailleurs, la perméabilité, qui ne dépend que de l'épaisseur des espaces entre les éléments réfractaires, peut être augmentée ou réduite à volonté en modifiant simplement l'épaisseur des cales d'écartement. Toute- fois, la perméabilité variant en sens inverse de la "sélectivité", le ris- que d'infiltration de métal en fusion augmente avec l'épaisseur des cales. A cet égard, il est donc préférable que l'épaisseur des cales soit la plus faible possible. La limite inférieure demeure cependant conditionnée par le débit unitaire de gaz à faire passer au travers de la pièce réfractaire compte tenu des pressions amonts que l'on peut imposer. D'un autre côté, si l'on augmente trop l'épaisseur des cales, la pression pneumatique, qui doit être maintenue pour éviter les infiltrations de métal en fusion, engendre alors un débit de gaz important, souvent en pure perte, d'autant que ce débit doit être entretenu en permanence même en dehors des phases 39 d'élaboration du métal nécessitant une insufflation de gaz. Compte tenu de ces indications, l'épaisseur des cales d'écartement est de préférence voisine de 0,3 mm et, de toute façon, comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm environ. Ces caractéristiques sont valables surtout pour l'application de la pièce réfractaire selon l'invention à un récipient métallurgique tel qu'un convertisseur d'affinage de la fonte ou une poche d'aciérie. Elles peuvent bien entendu être modifiées pour d'autres applications, mais l'ordre de grandeur demeure sensiblement le même. Dans ces conditions, les cales d'écartement peuvent être avantageuse- ment constituées de simples fils d'acier calibrés au diamètre voulu, et orientés dans la direction du soufflage. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages res- sortiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et en référence aux planches de dessin annexées sur lesquelles, - la figure I est une vue en perspective d'une forme de réalisation de la pièce réfractaire perméable, conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'une variante de réalisation de la pièce représentée sur la figure 1. Sur les figures, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. Les figures représentent la pièce réfractaire perméable dans son inté- gralité, telles qu'elle peut se présenter à l'utilisateur avant d'être in- corporée à la maçonnerie du récipient métallurgique destiné à la recevoir, - par exemple, un convertisseur à soufflage par le haut. Comme on le voit, cette pièce, référencée 1, est essentiellement consti- tuée par un assemblage 2 d'éléments réfractaires 3, au nombre de quatre dans l'exemple considéré et réunis entre eux de façon non jointive par interposi- tion de cales d'écartement 4. La cohésion de l'assemblage est assuré par - frettage compressif au moyen d'une enveloppe métallique latérale 5. Une pla- que de fermeture 6 complète l'enveloppe de la manière habituelle, afin de réaliser un réceptacle étanche dans lequel l'assemblage 2 n'apparaît que par sa face supérieure libre destinée à être mise au contact du métal en fusion contenu dans le récipient métallurgique. L'arrivée du gaz d'insufflation sous pression s'effectue, dans le sens indiqué, par la flèche, par une con- duite d'amenée 7 montée de façon étanche sur la plaque de fermeture 6 et re- liée à une source d'alimentation non représentée. Les éléments 3 constitutifs de l'assemblage sont avantageusement en ma- tériau réfractaire de composition et de fabrication classiques, par exemple 39 en magnésie cuite à haute température pour bien résister à l'usure, chimique et mécanique, par contact avec le laitier, mais sans sélection granulomé- trique préalable, donc non-poreuse naturellement. Cependant, leur réunion non-jointive au moyen des cales d'écartement 4 définit entre eux des espaces étroits 8, constituant des zones de passage obligatoire pour le gaz sous pression, arrivant à la base de la pièce par la conduite 7 et traversant ainsi l'ensemble réfractaire 2 pour ressortir par l'extrémité supérieure li- bre en contact avec le métal en fusion. On comprend que la présence de ces espaces de soufflage 8 localisés aux plans de joint de l'assemblage confère à celui-ci une perméabilité "dirigée" dans le sens du soufflage gazeux. Bien entendu, ce résultat est atteint si sont respectées des conditions relatives respectivement aux cales d'écartement 4 et à l'étanchéité au droit de l'enveloppe latérale 5. En ce qui concerne ce dernier point, il est prévu, conformément à l'in- vention, d'interposer entre la face intérieure de l'enveloppe et la paroi des éléments réfractaires 3, une couche 9 d'un produit de jointoiement, de type habituel dans le domaine considéré et dont la mise en place sera décrite plus en détail par la suite. En ce qui concerne les cales d'écartement, il a déjà été expliqué auparavant qu'elles doivent être conçues de façon à ménager des espaces de soufflage 8 étroits, dont l'épaisseur est préférentiellement com- prise entre 0,1 et 0,5 mm. Cette condition étant respectée, les cales d'é- cartement peuvent présenter de multiples formes de réalisation différentes dans la mesure bien entendu o elles n'obstruent pas la section de passage des espaces 8 de façon suffisamment importante pour empêcher le débit de gaz de brassage que l'on souhaite y faire passer. A cet égard, les cales d'écartement 4 peuvent être constituées par exem- ple par des irrégularités de surface des éléments 3 volontairement prononcées, telles que des picots ou des protubérances en forme de pastilles, obtenues par moulage lors de la fabrication même des éléments 3. Une autre forme de réalisation consiste à rapporter des cales d'écarte- nient entre les éléments au moment de l'opération d'assemblage. Dans ce cas, les cales se présentent avantageusement sous l'aspect de corps allongés, orientés longitudinalement dans les espaces 8, c'est-àdire dans la direction de traversée du gaz de brassage afin de n'en pas gêner le passage. Les figures I et 2 illustrent respectivement deux exemples différents de réalisation de cales d'écartement de ce type. Dans l'exemple de la figure 1, les cales d'écartement sont de simples fils métalliques du commerce, en acier de préférence, et calibrés à la dimen- sion voulue. Ils sont au nombre de quatre, soit un par élément réfractaire, et 39 tous orientés longitudinalement de manière à réduire le plus possible leur maître-couple dans l'écoulement gazeux. Leur position peut être quelconque, toutefois, il est préférable de les localiser aux extrémités des plans de joint afin de minimiser, comme on le comprend, les jeux fonctionnels des élé- ments au moment de leur réunion. Dans l'exemple de la figure 2, les cales d'écartement 4' sont constituées par des inserts en béton réfractaire logés dans des encoches 10 prévues aux extrémités des plans de joints et obtenues par rapprochement des éléments 3 entre-eux, présentant à cet effet un dégagement le long de leur arête. Les inserts peuvent être coulés sur place après réunion non-jointive des éléments 3 grâce aux entretoises Il disposées au voisinage immédiat des encoches et ayant le double r6le de déterminer les espaces de soufflage 8 et de constituer un organe d'étanchéité permettant la coulée des inserts sans risque d'infiltration de béton liquide dans les espaces 8. Les entretoises Il sont avantageusement de même forme et de même calibre que les fils métalliques 4 (figure 1). Cependant, contrairement à ces derniers, leur fonction de cale d'écartement n'étant que temporaire, puisqu'elles ser- vent de relais aux inserts 4, elles peuvent être constituées de fils en maté- - riau destructible à chaud, par exemple des polyamidestels que celui commer- cialisé sous la marque "nylon" que l'on peut indifféremment éliminer en der- nière phase de fabrication de la pièce, ou laisser se détruire au contact du métal en fusion lors de la mise en service au convertisseur. Il doit être souligné que les variantes de réalisation, décrites en référence aux figu- res, se caractérisent notamment par le fait que les cales d'écartement 4 (ou 4') sont des corps rapportés dans l'ensemble de -la. pièce et non pas, comme indiqué précédemment, des parties intégrantes des éléments réfractai- res 3. On évite ainsi le recours à des éléments réfractaires préformés et conçus spécialement en vue de la fabrication de la pièce selon l'invention, ce qui n'est évidemment pas sans influence sur le coûrt de revient de celle- ci. Au contraire, la mise en place de cales d'écartement rapportées permet d'utiliser des éléments réfractaires tout à fait banalisés, voire "standart" dans le commerce. A cet égard, un avantage substantiel de l'invention réside dans le fait que la pièce I peut être aisément produite en prenant comme matière première une simple brique réfractaire du commerce que l'on transforme selon le proces- sus qui va être exposé. Une brique du commerce, en matériau réfractaire non- poreux, tel que de la magnésie cuite, est découpée à la scie dans le sens longitudinal. Les éléments obtenus sont alors réunis de façon nonjointive en disposant entre eux les cales d'écartement calibrées 4 (figure 1) ou, le 39 cas échéant, les entretoises temporaires 11 (figure 2). Dans ce dernier cas, les arêtes des éléments situés au voisinage des entretoises sont soumises préalablement à un enlèvement de matière, par exemple par fraisage, de ma- nière à pouvoir former les encoches 10 dans lesquelles on coule un insert en béton par tout moyen approprié. Dans tous les cas, la cohésion de l'assemblage est alors assurée par frettage au moyen de l'enveloppe métallique latérale 5 avec interposition d'une couche de produit de jointoiement 9 qui assure l'étanchéité au gaz au droit de l'enveloppe. Ltensemble est complété par la plaque de fermeture 6 rapportée par soudure sur le bord inférieur de l'enveloppe. Les performances que l'on peut attendre de la pièce ainsi réalisée en tant qu'organe de soufflage sont conditionnées,notamment, par la qualité de l'étanchéité au gaz à l'interface enveloppe-éléments réfractaires. Cette étan- chéité est directement liée à la nature du produit de jointoiement 9 et/ou à la façon dont il est mis en place. A cet égard, le produit de jointoiement est avantageusement un béton réfractaire gonflant que l'on coule à l'état liquide dans l'interstice prévu initialement entre l'enveloppe métallique et les éléments réfractaires. Le gonflement, au cours du séchage ultérieur, pro- voque alors par réaction de l'enveloppe et des éléments, une compression du produit de jointoiement assurant l'étanchéité recherchée. Toutefois, cette variante de réalisation nécessite une connaissance et donc une mattrise, toujours délicates, des contraintes mécaniques qui se déve- loppent dans la pièce et qui peuvent en particulier aboutir à des déforma- tions de l'enveloppe par gonflement qui rendent plus difficile, voire aléa- toire, l'incorporation de la pièce dans la maçonnerie du récipient métallur- gique destiné à la recevoir. Une variante préférée, et qui correspond à la meilleure forme de réali- sation que sait faire le demandeur à l'heure actuelle, consiste à opérer de la façon qui suit: l'enveloppe métallique 5 est constituée de deux demi- coquilles 12 et 13 égales et de profil en U. On commence par introduire l'assemblage 2 dans l'une quelconque des demi-coquilles, par exemple la demi- coquille 12 après avoir badigeonné sa surface intérieure par un produit de jointoiement qui adhère naturellement à la paroi métallique. On effectue ensuite un badigeonnage identique sur la face intérieure de la demi-coquille 13 que lion dispose alors autour de la moitié de l'assemblage dépassant de la demi-coquille 12. Les demi-coquilles sont dimensionnées de manière que, à ce stade de l'opération, leurs bords respectifs soient en regard deux-àdeux. On comprime alors l'ensemble en exercant une poussée sur la base de chaque demi-coquille à l'aide de tout moyen approprié, par exemple un étau, 39 et on termine l'opération en solidarisant les deux demi- coquilles par leurs 8 2475529 bords au moyen de cordons de soudure 14 en milieu de face de l'enveloppe mé- tallique 5 ainsi reconstituée; une autre variante avantageuse de l'invention consiste à scier la brique réfractaire de départ selon une découpe en croix, de manière à obtenir, comme le montrent les figures, des espaces de soufflage 8 entrecroisés. On choisit pour ce faire une lame de scie dont l'épaisseur tient compte de l'épaisseur de l'enveloppe latérale 5, de façon à réaliser une pièce perméable qui conserve le même gabarit que celui de la brique ini- tiale, ce qui permet en particulier de pouvoir incorporer sans difficulté la pièce perméable dans l'architecture d'ensemble du revêtement réfractaire. Conformément à une autre caractéristique de l'invention -non indispensa- ble mais utile lorsque la brique réfractaire initiale est imprégnée de gou- dron, par exemple une brique en magnésie cuite imprégnée de goudron- on sou- met les éléments 3 à un chauffage tempéré après découpe et avant assemblage, afin d'éliminer les éléments volatils inévitablement présents et qui risque- raient, par la suite, de couler et donc de colmater les espaces de soufflage 8. L'opération de chauffage tempéré peut durer quelques heures et permettre ainsi de passer d'une teneur en carbone total de 8 % à 2 % environ en poids. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais peut présenter de nombreuses autres variantes de réalisation. Il en est ainsi notamment des cales d'écartement 4 entre les éléments et qui peuvent être de nature fort variée, par exemple de la corde à piano, etc.. ., dans la mesure o leur calibre et leur orientation respectent les indications. En outre, leur nombre n'est pas nécessairement limité à la proportion de 1 par élément réfractaire. De même, le nombre d'éléments réfractaires 3 constitutifs de l'assembla- ge, n'est pas obligatoirement égal à quatre, mais peut être inférieur ou su- périeur à ce nombre. De m9me encore, les encoches, ménagées en regard l'une de l'autre sur les éléments réfractaires et définissant un logement pour les in- serts en béton, ne sont pas obligatoirement placées aux extrémités des plans de joints, mais peuvent être prévues à des endroits quelconques à l'intérieur même des espaces de soufflage. Par ailleurs, si la pièce selon l'invention a été spécialement conçue à l'origine en tant qu'élément du garnissage réfractaire d'un récipient métal- lurgique, tel qu'un convertisseur d'affinage de la fonte en acier, dans le- quel est recherché un brassage pneumatique du bain de métal en fusion, elle n'en est pas moins d'application générale toute pratique industrielle néces- sitant la traversée d'une pièce réfractaire par un fluide, que celui-ci soit à l'état gazeux ou liquide. REVENDICATIONS 1 Pièce perméable en matériau réfractaire non-poreux, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un assemblage non-jointif d'éléments réfractaires non-poreux espacés les uns des autres par des cales d'écartement calibrées, ledit assemblage étant maintenu dans une enveloppe latérale étanche avec interposition d'une couche de produit de jointoiement. 2 Pièce perméable selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cales d'écartement sont des corps rapportés, de forme longiligne et orientés de façon parallèle, ou sensiblement parallèle, à l'enveloppe latérale. Pièce perméable selon la revendication 2, caractérisée en ce que les corps longilignes rapportés sont constitués par des fils de diamètre calibré disposés entre les éléments réfractaires. Pièce perméable selon la revendication 2, caractérisée en ce que les corps longilignes rapportés sont constitués par des inserts en béton logés dans des encoches ménagées en regard l'une de l'autre sur les parois des élé- ments réfractaires non-poreux. Pièce perméable selon les revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les cales d'écartement sont d'épaisseur calibrée de manière à maintenir les éléments réfractaires espacés entre eux d'une distance comprise entre 0,1 et 0,5 mm environ. 6 Pièce perméable selon la revendication 1, caractérisée en ce que les espaces séparant les éléments réfractaires sont entrecroisés. Pièce perméable selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe latérale étanche est constituée de deux demi-coquilles profilées en U et solidarisées par leur bord. 8 Procédé de fabrication de pièces perméables selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on découpe dans le sens longitudinal une brique ré- fractaire non-poreuse que l'on trouve habituellement dans le commerce, en ce que l'on reconstitue ensuite la brique initiale par frettage compressif des éléments réfractaires obtenus au moyen d'une enveloppe latérale étanche et, après avoir disposé entre eux des cales d'écartement, et en ce que l'on in- terpose entre l'enveloppe latérale et les éléments réfractaires une couche de produit de jointoiement. 90 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on utilise une enveloppe latérale constituée de deux demi-coquilles profilées en U, en ce que, après avoir appliqué sur leur surface intérieure un produit de join- toiement adhérant, on ajuste les deux demi-coquilles autour de l'assemblage 39 d'éléments réfractaires préalablement réalisé, en les engageant respective- 1o ment par deux cotés opposés de l'assemblage de manière à placer leurs bords en regard deux à deux et en ce que l'on réunit les deux demicoquilles entre elles par solidarisation de leurs bords respectifs tout en exerçant un effort de compression par application de deux poussées antagonistes sur la base des demi-coquilles. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en la brique non-poreuse initiale, destinée à être découpée en éléments, est en un maté- riau réfractaire imprégné de goudron et en ce que, après découpage et avant assemblage des éléments obtenus, on soumet ces derniers à une phase de chauf- 0 fage tempéré afin d'éliminer les composants les plus volatils.