Brevet FR2476292A1 — publié le 19810821

EQUIPEMENT POUR TROU DE COULEE D'UN FOUR DE FUSION DE MATIERES NON METALLIQUES La présente invention concerne un équipement pour trou de coulée d'un four de fusion de matières non métalliques, en particulier d'oxydes minéraux, pour la fabrication de fibres minérales ou céramiques, de produits réfrac- taires ou de granules non métalliques. La qualité de ces produits dépend essentiellement de l'homogénéité chimique et thermique du bain liquide dans l'appareil de fusion, ainsi que de la régularité massique et géométrique avec laquelle le jet sortant du four frappe l'équipement d'effilage, le tambour de granulation ou le moule de coulée. Toute variation affectant les critères énumérés ci-dessus in- fluence négativement la qualité et/ou la quantité du produit final, soit par dégradation de ses propriétés physiques ou chimiques, soit par diminution du rendement des équipements de transformation comme l'effileuse ou le granula- teur. Dans les appareils connus de fusion de matières non métalliques, -il s'agit surtout de fours cubilots (95D,,) et de fours à arcs ou à arcs submergés (5%)- les trous de coulée, constitués d'un ensemble de tuyaux refroidis à l'eau ou de water-jackets éventuellement revêtus de matière réfractaire, mais normalement protégés par les matières fondues ellesmêmes se solidifiant en une couche plus ou moins épaisse sur la surface refroidissante, donnent lieu à des irrégularités de débit. Ceci est dû au manque de réglage inhérent à ces trous de coulée. Il s'ensuit que les variations de la viscosité des matières fondues, variations dues à l'hétérogénéité thermique et/ou chimique du bain liquide, se répercutent sur la régulation du débit avec pour conséquence la formation de jets parapluie, de croûtes ou de loups, ralentissant le débit et rendant nécessaire de fréquents nettoyages. Ces arrêts ou perturbations se répercutent défavorablement sur la qualité et la quantité du produit final. Aussi faut-il dégager assez fréquemment l'orifice de coulée, ce qui se fait avec des moyens très primitifs, comme par exemple des barres métalliques avec 2 2476292 tout ce que ceci comporte de risques et inconvénients. L'équipement du trou de coulée constitue par conséquent l'un des points névralgiques de toute installation de fusion de matières non métalli- ques en vue de la fabrication de fibres minérales ou céramiques, de produits réfractaires ou de granules non métalliques. La présente invention a pour objet un équipement pour trous de cou- lée qui comporte des moyens efficaces de réglage des conditions thermiques de façon à éviter les inconvénients décrits ci-dessus. Ce but est atteint par l'équipement du trou de coulée suivant l'in- vention, qui est constitué d'un bloc destiné à être inséré dans la paroi du four et qui comporte un conduit central en graphite ou carbone qui présente un évasement du côté de l'intérieur du four, lequel conduit est logé dans une masse réfractaire qui présente une résistivité électrique déterminée et qui comprend au moins une électrode métallique ou en graphite enveloppant du moins partiellement le conduit central. La présente invention se rapporte à un équipement qui, en raison de sa conception spécifique, se prête particulièrement bien à un contrôle du débit, et permet le réglage effectif des conditions thermiques du trou de coulée, ce réglage étant effectué par l'intervention de moyens électriques. Par ailleurs, le choix de graphite comme matériau pour le conduit central est particulièrement avantageux parce que le graphite n'est prati- quement pas mouillé par la plupart des.oxydes minéraux. Selon une première forme d'exécution de l'appareillage suivant l'invention, l'une des électrodes, formée d'acier réfractaire ou d'un supe- ralliage inoxydable résistant aux hautes températures, est noyée dans la masse réfractaire, entourant le conduit central en graphite constituant lui- même la seconde électrode. L'électrode métallique peut être en forme de tôle ou de treillis cylindriques ou coniques. Ainsi un courant électrique passant entre les deux électrodes provoque un échauffement homogène par effet Joule de la masse réfractaire qui fait office de résistance électrique. La résistivité du matériau réfractaire est choisie en conséquence. Cette masse réfractaire, portée à haute température, transmet de la chaleur par conduction au conduit central en graphite dont la température peut être modi- fiée par action sur la puissance d'alimentation du système. Cette alimenta- tion électrique peut provenir d'une source de courant alternatif ou de cou- rant continu. Selon une deuxième forme d'exécution de l'équipement suivant l'inven- tion, l'électrode circulaire extérieure est en graphite et est solidaire du conduit central. L'épaisseur de l'électrode circulaire entourant le conduit central est choisie de façon à ce qu'elle s'échauffe fortement par passage 3 2476292 du courant. Cette chaleur est propagée, d'une part, par conduction dans le graphite jusqu'à la face côté four du conduit central et, d'autre part, à travers le béton réfractaire de bonne conductivité thermique, mais de fai- ble conductivité électrique sur la partie cylindrique du conduit central. Le béton réfractaire est avantageusement à base d'alumine ou de chromemagnésie. Pour éviter une déperdition de chaleur dans la direction opposée au conduit central, il est utile d'isoler la face extérieure de l'électrode cir- culaire en graphite par un isolant résistant aux hautes températures, collé contre cette surface ou noyé dans le béton à quelque distance de cette sur- face. Dans le cas o la longueur du conduit central est fortement réduite, la transmission de la chaleur par conduction dans le graphite seule suffit d'obtenir l'effet recherche de réglage de la température, de sorte que le béton réfractaire placé entre les deux électrodes devient superflu. L'espace ainsi créé peut contenir de l'air ou un gaz neutre ou réducteur. Selon une troisième forme d'exécution de l'équipement suivant l'in- vention, au lieu d'une électrode métallique, on noie dans un matériau réfrac- taire isolant une bobine en cuivre refroidie à l'eau, ou en alliage résis- tant aux hautes températures, ladite bobine entourant le conduit central en graphite et ses deux extrémités étant reliées à une source de courant alter- natif de fréquence appropriée. Le champ magnétique qui crée des courants induits dans le conduit central en graphite provoque une augmentation de sa température, qui varie en fonction de la puissance et de la fréquence appli- quée suivant le principe connu des fours à induction à chauffage indirect. La forme de la bobine ainsi que l'espacement des spires peuvent être adaptés à différentes formes et dimensions du conduit central et permettent ainsi une température régulière et des gradients de température déterminés sur la longueur du conduit. Que l'on prévoit une construction assurant le chauffage du conduit en graphite par conduction, ou que l'on effectue un chauffage par induction, il est utile suivant l'invention de pourvoir la partie du conduit en graphite située du côté de l'orifice de coulée proprement dit, d'une chemise refroi- die par un liquide approprié (eau, huile synthétique, etc.) Le rôle de cette chemise de refroidissement à débit variable est double; d'une part elle sert d'obturateur du trou de coulée par solidifica- tion des matières dans le conduit central lorsqu'on coupe l'alimentation électrique et qu'on fait passer un débit de liquide maximum à travers la chemise, d'autre part elle sert de régulateur de température dans le cas o le produit fondu passant à travers le conduit possède une surchauffe 4 2476292 importante. Lin reroidissement adéquat permet alors d'abaisser la tempéra- ture du produit passant à travers le conduit et d'en régler la viscosité, dont la constance dans le temps est primordiale pour le bon fonctionnement des équipements d'effilage ou de granulation situés en aval du four. L'excel- lente conductivité thermique du graphite facilite grandement l'efficacité de cette chemise de refroidissement. La chemise de refroidissement peut selon une première forme d'exécu- tion consister en un anneau vissé à l'extrémité de sortie du tube et pouvant également faire fonction d'amenée de courant. Selon une deuxième forme d'exé- cution une incision spiralée est pratiquée directement dans-l'épaisseur du conduit central, puis refermée et étanchéisée par un manchon en graphite ou en métal en forme de tube se glissant sur les canaux ainsi créés. Le réamorçage du jet de coulée peut facilement être effectué par réduction du débit de liquide au minimum compatible pour la protection des pièces mécaniques et remise du courant de chauffage maximum sur les électro- des ou la bobine d'induction. L'homogénéisation chimique et thermique du bain liquide dar.s le four de fusion étant d'une importance capitale suir la qualité du produit coulé final, une particularité intéressante de la présente invention est qu'elle permet une homogénéisation secondaire du bain liquide juste avant son entrée dans le trou de coulée. Ceci est obtenu en entourant l'ensemble réfractaire- graphite d'une gaine métallique étanche vers l'extérieur et en prévoyant le passage d'un gaz vers l'intérieur du four, de préférence le long de la paroi intérieure de la gaine métallique entre celle-ci et le béton. A cet effet, une conduite servant à véhiculer un gaz neutre ou réducteur est reliée à une chambre de mélange située dans le matériau réfractaire et rendue étanche vers l'extérieur. Le gaz sous pression passe alors de la chambre de mélange circulaire dans l'interstice entre le réfractaire et la surface intérieure du tube et entre dans l'enceinte du four en créant un mouvement de mélange à intensité réglable dans le bain liquide à l'entrée du trou de coulée. Ce mouvement provoque une homogénéisation thermique et chimique du bain à cet endroit. Pour éviter l'entrée de produits en fusion dans l'interstice on peut soit prévoir une chicane, soit passer en permanence du gaz sous pression sur l'équipement. La tôle de cerclage extérieure est de préférence en acier inoxydable réfractaire. Le trou de coulée suivant l'invention doit être étanche aux gaz pour permettre d'une part, d'éviter une fuite des gaz de barbotage et d'autre part une entrée d'air de l'extérieur dans le four. A cet effet il a été prévu de rendre étanche l'ensemble de la construction par des 0-Rings. 2476292 Pour permettre la dilatation longitudinale de l'ensemble de l'équi- pement suivant l'invention et garantir ainsi les différents composants con- tre une fissuration lors de l'augmentation ou de la réduction de la tempé- rature, la construction est fixée au gabarit du four de fusion à l'aide de boulons munis de ressorts qui se compriment ou se tendent en fonction des mouvements relatifs de l'ensemble, par rapport aux parois du four. Des joints glissants munis d'O-Rings permettent de garantir l'étanchéité dans toutes les positions. Différents circuits d'eau de refroidissement protègent une sur- chauffe des O-Rings et limitent les dilatations thermiques des pièces mécani- ques de fixation. La dilatation transversale est rendue possible par des joints de dilatation dimensionnés en fonction des propriétés intrinsèques du réfractaire utilisé. Pour limiter les déperditions de chaleur, la surface libre vers l'ex- térieur du réfractaire entourant le conduit en graphite est protégée par un anneau en matière isolante résistant à haute température. De même pour empêcher l'oxydation de l'extrémité extérieure du con- duit en graphite, on protège cette surface contre l'attaque atmosphérique par une capsule annulaire en matériau réfractaire, de préférence en chrome- magnésie électrofondue, qui est constitué par une busette de coulée. Un barrage de gaz neutres réalisé par un anneau entourant l'extrémité du con- duit central améliore utilement la protection du graphite contre l'oxydation atmosphérique. D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des dessins donnés à titre non limitatif. La fig. 1 montre une coupe longitudinale d'une première forme d'exé- cution de l'équipement suivant l'invention; la fig. 2 montre une coupe transversale du même équipement; les fig. 3 et 4 représentent une coupe longitudinale de deux autres formes d'exécution de l'équipement suivant l'invention. L'équipement pour trou de coulée de fours de fusion de matières non métalliques comprend un conduit central 1 en graphite qui s'élargit en forme de tronc de cône vers l'amont et qui est continué en aval par un anneau de protection 9 constituant une busette. Le conduit central 1 est entouré par la masse réfractaire 2. Les électrodes de chauffage 3 constituées soit par des éléments en métal ou en graphite, soit par des bobines d'induction sont noyées dans la masse réfractaire 2 et reliées à une source électrique par des raccords 6. Une couche d'isolation thermique 21 est utilement prévue pour garan- tir une plus grande uniformité thermique dans le conduit central 1 et empê- cher la déperdition de chaleur vers le garnissage du four lui-même. 6 2476292 L'ensemble conduit central 1 - masse réfractaire 2 est gainé d'une tôle extérieure 7. Délimitée par un canal annulaire dans la masse réfractaire et la tôle 7 se trouve une chambre de mélange 13 pour le gaz de barbotage destinée à provoquer une homogénéisation thermique et chimique du bain avant son entrée dans le conduit central. Le gaz arrive dans la chambre de mélange 13 par une conduite d'amenée 8 et est conduit vers le bain de préférence par l'interstice très étroit prévu entre la masse réfractaire 2 et la tôle 7. Le flux thermique vers l'orifice de coulée 9 est contrôlé par le circuit de refroidissement à eau 5 prévu dans l'anneau 4 qui recouvre le conduit en graphite 1 et sert de logement à la busette de coulée 9. Un anneau créant un barrage de gaz neutre assure une protection supplémentaire contre l'oxydation du graphite. La face extérieure du réfractaire 2 est protégée par une plaque iso- lante 10. L'ensemble constituant le trou de coulée est fixé au gabarit du four de fusion à l'aide de fixations sur ressorts 12 et est rendu étanche au moyen d'O-Rings 15. Des circuits de refroidissement à eau Il sont prévus au voisinage de cette fixation. Comme il ressort-des figures 1 et 2, le conduit en graphite est utilement constitué de 2 parties concentriques 1 et 1'; la partie formant chenal de coulée proprement dit 1 est amovible séparément. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et, elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. i2 I5292 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Equipement du trou de coulée d'un four de fusion de matières non métalliques, en particulier d'oxydes minéraux, en vue de la fabrication de fibres minérales ou céramiques, de produits réfractaires ou de granules non métalliques, ledit équipement étant constitué d'un bloc destiné à être inséré dans la paroi du four et étant caractérisé en ce qu'il comporte un conduit central (1) en graphite ou en carbone qui présente un évasement du côté de l'intérieur du four, ledit conduit étant logé dans une masse (2) en matière réfractaire qui présente une résistivité électrique déterminée et qui com- prend au moins une électrode métallique (3) ou en graphite entourant du moins partiellement le conduit central (1). 2. Equipement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des électrodes, de section annulaire, est formée d'acier réfractaire, de superalliage inoxydable, ou de graphite et est noyée dans la masse réfrac- taire entourant le conduit central (1) en graphite constituant lui-même la deuxième électrode. 3. Equipement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'é- lectrode métallique (3) est constituée par une tôle de forme cylindrique ou tronconique. 4. Equipement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'é- lectrode métallique est constituée par un treillis de forme cylindrique ou tronconique. 5. Equipement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'é- lectrode extérieure, de section annulaire, est en graphite et en ce qu'elle est solidaire du conduit central (1). 6. Equipement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que en contact ou à proximité de la face extérieure de l'électrode est prévu un isolant (21) résistant aux hautes températures. 7. Equipement suivant les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'espace entre les deux électrodes reste creux et est rempli d'un gaz. 8. Equipement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la masse réfractaire est isolante et en ce qu'il y est noyé une bobine qui entoure le conduit central en graphite et dont les deux extrémités sont reliées à une source de courant alternatif. 9. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 8, carac- térisé en ce que la partie du conduit en graphite située du côté de l'orifice de coulée est munie d'une chemise à refroidissement par liquide. 10. Equipement suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chemise de refroidissement consiste en un anneau vissé à l'extrémité de sortie du tube. 11. Equipement suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chemise de refroidissement est constituée d'une incision en forme de spirale pratiquée directement dans le matériau du conduit central qui est refermé et étanchéisé par un manchon en graphite en forme de tube se glissant sur les canaux ainsi créés. 12. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 11, carac- térisé en ce que l'ensemble réfractaire/graphite est entouré extérieurement d'une gaine métallique étanche et en ce qu'un passage est prévu pour le gaz depuis une chambre annulaire vers l'intérieur du four. 13. Equipement suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le gaz est amené vers une chambre de mélange aménagée dans le réfractaire et rendue étanche vers l'extérieur. 14. Equipement suivant les revendications 12 ou 13, caractérisé en-ce que le gaz passe de la chambre de mélange vers l'intérieur du four le long de la paroi entre la gaine métallique et la partie terminale de la pièce de gra- phite. 15. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 14, carac- térisé en ce qu'il est fixé au gabarit du four de fusion à l'aide de boulons munis de ressorts. 16. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 15, carac- térisé en ce que la surface libre du réfractaire est protégée vers l'extérieur par un anneau en matière isolante, résistant à haute température. 17. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 16, carac- térisé en ce que l'extrémité libre vers l'extérieur du conduit en graphite est protégée par une capsule annulaire en matière réfractaire constituant la bu- sette de coulée (9). 18. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 17, carac- térisé en ce que l'on prévoit un barrage de gaz neutres réalisé par un anneau (20) entourant l'orifice de coulée (9). 19. Equipement suivant une quelconque des revendications 1 à 18, carac- térisé en ce que le conduit en graphite est constitué de deux parties concen- triques, la partie formant chenal de coulée proprement dit étant amovible sé- parément.