Brevet FR2493871A1 — publié le 19820514

1. La présente invention est relative à des plaques de refroidissement pour hautsfourneaux. Ces plaques de refroidissement sont des éléments disposés contre la face interne du blindage et remplis- sent la double fonction de refroidissement énergique du réfractaire et d'écran au passage du flux thermique dans le blindage. L'utilisation de telles plaques de refroidisse- ment disposées entre la paroi interne du blindage et le revêtement réfractaire a été rendue nécessaire en raison de l'augmentation des flux de chaleur et de leur trans- fert, qui sont dus aux techniques modernes d'exploitation des hauts fourneaux. Les plaques de refroidissement sont constituées d'éléments en fonte parcourus dans leur masse par un réseau de tubes dans lesquels circule un fluide de re- froidissement qui est en général de l'eau. Ces tubes de refroidissement débouchent aux parties hautes et aux parties basses respectivement des plaques de refroidis- sement et traversent le blindage, à l'extérieur duquel ils sont reliés à des tubes de refroidissement d'une plaque adjacente supérieure ou inférieure. Les tubes ainsi reliés déterminent des lignes de circulation du fluide s'élevant dans un plan sensiblement vertical le long de la paroi du haut fourneau, ces lignes étant raccordées à un circuit extérieur de circulation et de refroidissement du fluide. Les plaques de refroidissement doivent être conçues de façon telle qu'elles résistent aux déformation thermo- mécaniques résultant des flux élevés engendrés dans le haut fourneau et, de plus, de façon à assurer un bon échange thermique avec le réfractaire et à assurer l'ac- crochage efficace de ce dernier. 2. Or, les plaques de refroidissement connues jusqu'à présent ne satisfont pas pleinement à ces conditions et présentent des défauts qui conduisent, à la suite des contraintes thermiques répétées, à la formation de fis- sures dans leur masse et, par voie de conséquence, à la libération d'eau dans le haut fourneau, sous forme de fuites du fluide de refroidissement. On observe, par ailleurs, une difficulté pour fixer le revêtement ré- fractaire de façon permanente sur les plaques de refroi- dissement. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant des plaques de refroi- dissement ayant une s reté de fonctionnement accrue-, présentant de meilleurs caractéristiques d'échange thermique et d'accrochage du revêtement réfractaire. La présente invention a ainsi pour objet une plaque de refroidissement constituée d'un élément en fonte de forme sensiblement parallélépipédique, dans lequel sont noyés des tubes longitudinaux disposés paral- lèlement les uns aux autres, ces tubes débouchant sur une même face principale, respectivement aux parties haute et basse de la plaque de refroidissement dans un fourreau protecteur, caractérisée en ce que la face opposée à celle o débouchent les tubes de refroidissement est gaufrée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les rainures transversales de la face gaufrée comportent des inserts en carbure de silicium. Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, la face gaufrée comporte une partie en saillie appelée margelle. Cette margelle est disposée à la partie supérieure ou à une partie médiane de la face gaufrée, ou peut constituer le bord supérieur de la plaque de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront au cours de la description 3. qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la fig. 1 est une vue en perspective avec coupe partielle d'une plaque de refroidissement placée entre blindage et revêtement réfractaire, la fig. 2 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une plaque de refroidissement avec margelle; la fig. 3 est une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la fig. 2. Sur la fig. 1, la plaque de refroidissement 1, disposée verticalement, est placée entre le blindage 2 du haut fourneau et le revêtement réfractaire 3. La plaque de refroidissement 1 s'appuie contre la paroi interne du blindage par des bossages 4 formant saillie sur la face principale 5 plane en regard du blindage. La plaque de refroidissement est parcourue par des tubes longitudinaux 6 de circulation du fluide de re- froidissement disposés parallèlement les uns aux autres et s'étendant suivant un axe longitudinal disposé vertica- lement. Les tubes 6 débouchent de la plaque 1 aux parties haute et basse, respectivement, dans des fourreaux 7 et 8 qui sont noyés dans la.masse de fonte de la plaque de refroidissement. La partie des tubes de refroidissement sortant des plaques et leurs fourreaux sont disposés de façon telle qu'ils soient rigoureusement horizontaux, c'est- à-dire qu'ils sont légèrement inclinés par rapport à la perpendiculaire à la surface du blindage au point de traversée de ce dernier. La face 9 de la plaque de refroidissement opposée à la face 5, qui est la face sur laquelle débouchent les tubes de refroidissement, a une forme gaufrée. Cette forme gaufrée est obtenue par l'entrecroisement à angle droit de rainures longitudinales 10 et transversales 11, les rainures longitudinales 10 étant parallèles aux tubes 6. Les rainures peuvent avoir une section droite carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. 4. Dans le modz de réalisation de la fig. 1, les rainures longitudinales 10 ont une section trapézoïdale dont la partie évasée est dirigée vers l'extérieur de la plaque, alors que les rainures transversales 11 ont une section trapézoïdale disposée en queue d'aronde. Dans ces rainures transversales sont placés des inserts 12 à section trapézo!dale correspondante qui forment saillie par rap- port à la face gaufrée 9 de la plaque de refroidissement. Ces inserts sont réalisés en carbure de silicium et placés in situ lors de la coulée de la fonte de la plaque de refroidissement. Cette caractéristique de coulée de la fonte autour des briques en carbure de silicium spécial, permet de réaliser un contact intime, assuré par une liaison chimique, entre le carbure de silicium et la fonte, qui garantit un excellent coefficient de transfert de chaleur entre les deux matériaux. Sur la plaque de refroidissement représentée à la fig. 1, toutes les rainures transversales comportent des inserts en carbure de silicium, mais il est possible d'espa- cer ces inserts toutes les deux ou trois rainures et mgme de n'en disposer aucun. Les rainures transversales ne com- portant pas d'insèrt peuvent avoir une section droite trapé- zoldale dont la partie évasée est dirigée vers l'extérieur de la plaque. Le gaufrage de la face 9 en regard du revêtement réfractaire permet, tout d'abord, d'augmenter l'interface entre le revêtement réfractaire et la fonte et, donc, de favoriser l'échange thermique. Il exerce en outre une fonc- tion d'ancrage mécanique du réfractaire à l'intérieur du haut fourneau. Il évite enfin les contraintes thermomécaniques qui conduisent à la déformation des plaques de refroidissement et, donc, à la fissuration dans le temps. Les inserts en carbure de silicium jouent un r6le d'amélioration de la liaison entre la fonte et le revête- ment réfractaire. Par ailleurs, dans le cas d'une dispari- tion du revêtement réfractaire au cours du fonctionnement du haut fourneau, ces éléments favorisent l'autogarnissage et fournissent une résistance à l'abrasion. Sur la fig. 2 est représentée -n couse une plaque de refroidissement du type à margelle. La plaque de refroidissement, comme dans le cas général de la f4g. 1, est disposée contre la face interne du blindage 2. Des tubes de refroidissement longitudinaux 6 sont noyés dans la masse de fonte de la plaque de refroidissement et sortent aux parties haute et basse dans des fourreaux protecteurs 7 et 8 qui traversent le blindage 2. Des bos- sages 4, faisant saillie sur la face 5 de la plaque de refroidissement en regard du blindage, servent d'appui contre ce dernier. Des joints d'étanchéité, non représen- tés, comme dans le cas de la fig. 1, sont disposés entre les bossage.s 4 et le blindage du haut fourneau 2. De meme, des masses de bourrage destinées à assurer une solution de continuité du système revêtement réfractaire, plaque de refroidissement et blindage, sont disposées entre la face 5 de la plaque de refroidissement et le blindage. La plaque de refroidissement est maintenue en appui serré contre le blindage à l'aide de moyens extérieurs à ce dernier, non représentés. Une margelle 13 faisant saillie sur la face gau- frée 9 de la plaque de refroidissement comporte, noyé dans sa masse, un tube transversal 14 de circulation du fLuide de refroidissement, qui débouche sur la face 5 en regard du blindage, à travers des fourreaux protecteurs 15, noyés dans la masse métallique de la plaque de refroidissement et traversant le blindage 2. On peut constater à la fig. 3 que le tube trans- versal est disposé de façon telle qu'il passe entre les tubes longitudinaux 6 de circulation du fluide de refroi- dissement. Les tubes transversaux 14 sont reliés à l'exté- rieur du haut fourneau à d'autres tubes analogues refroi- dissant des margelles d'autres plaques de refroidissement supérieures ou inférieures. Le circuit des tubes de re- froidissement transversaux est, de meme, relié à un cir- cuit extérieur de circulation et de refroidissement du fluide. 6. Les margelles peuvent comporter un tube de refroidissement, comme représenté aux fig. 2 et 3, mais on peut également en disposer plusieurs, suivant l'impor- tance de la taille de la margelle. Cette margelle peut être disposée à une partie légèrement inférieure au bord supérieur de la plaque de refroidissement, ou à une partie plus médiane, ou constituer le bord supérieur de la plaque de refroidissement. Ainsi, dans les parties de bas de cuve, mi-cuve et cuve, les margelles sont disposées à une partie infé- rieure au bord supérieur de la surface de refroidissement ou plus médiane, alors que pour le dernier rang situé dans la zone de la cuve, la margelle forme le bord supérieur des plaques de refroidissement. Les margelles peuvent également comporter des in- serts en CSi dans des rainures ménagées à cet effet. Les margelles 13 comportent une face supérieure 16 sensiblement perpendiculaire à la face gaufrée 9 de façon à ce qu'elle soit sensiblement horizontale lorsque la plaque de refroidissement est positionnée dans le haut fourneau. Le r8le de ces margelles est de supporter le re- vêtement réfractaire et de favoriser un autogarnissage après-disparition de ce dernier. Les plaques de refroidissement comportent un nombre de tubes de refroidissement longitudinaux 6 pouvant varier de 3 à 5. En effet, on fait varier la densité des tubes internes de refroidissement en fonction des flux thermiques émis dans le haut fourneau et il est évident que plus ce flux thermique est intense, plus l'entraxe entre les tubes doit être réduit. A titre indicatif, dans les plaques de refroidissement au niveau du ventre, on dispose des tubes à un entraxe de 195 à 210 mm, alors que dans les zones moins sollicitées de la cuve, cet entraxe est porté à 270-320 mm. Les dimensions des plaques sont également fonction du flux thermique émis dans les diverses zones du haut 7, fourneau. Ainsi, dans les zones de sollicitation thermique intense, o la densité des tubes internes est forte, c'est- à-dire leur entraxe faible, on dispose de plaques de refroi- dissement de plus petites dimensions comportant un mgrme nombre de tubes que dans les zones sollicitées par un flux thermique moins intense. Selon une dernière caractéristique de l'invention, les plaques de refroidissement sont réalisées en fonte qui doit posséder, en plus des qualités inhérentes à ce matériau, des caractéristiques propres à son utilisation particulière. Cette fonte doit: - avoir la meilleure conductibilité possible, - conserver entre 300 et 500C des qualités phy- siques et mécaniques de résistance, dureté, élasticité, - garder sa stabilité métallographique et géométrique en retardant les transformations qui se produisent à tempé- rature élevée et qui peuvent provoquer le gonflement de la fonte, - résister aux agressions chimiques et, en particu- lier, à celles des vapeurs alcalines telles que les composés du potassium, - suivant les zones et le type de plaques de refroi- dissement construit, trois qualités de fonte au chrome sont utilisées a) fonte à haute conductibilité pour les zones normalement sollicitées; b) fonte à graphite lamellaire, type A, stabilisée pour les zones moyennement et fortement sollicitées; c) fonte à l'aluminium pour les zones très expo- sées (par exemple celles du bas de cuve). Toutes ces fontes ont une bonne résistance à l'agres- sion par les vapeurs alcalines. Les fontes des types (a) et (b) présentent l'analyse suivante en pourcentage pondéral. C = 3,65 - 0,25 Si = 1,65 + 0,25 Mn = 1,00 + 0,20 Cr = 0,65 + 0,15 Ni = 0,25 - 0,05 P _ 0O,22 S - Les fontes de types (a) et (b) ne diffèrent que par leur structure cristallographiqueo La fonte du type (b) est à graphiete lamellaire contrSlé du type A arrondi prédominant, stabilisée et à haute conductibilité. Cette structure cristallographique particulière est obtenue par un enfournement sélectionné, un contr8le de la surchauffe et par inoculation. La fonte du type (c) à l'aluminium présente l'ana- lyse suivante en pourcentage pondéral: C = 2 à 4 AI = 1 à 3 Si = O à1 Mn = Oà 0,7 S = Oà 0,08 P = à 0, 01 Agent d'inoculation à base alliage de Cr, exprimé en Cr: 0,3 à 2 %. On peut également utiliser comme agent d'inocula- tion un alliage à base de cuivre et de terres rares dont la proportion de cériîu dans les terres rares est de 50 %, la proportion de Cu et des terres rares dans l'alliage étant identique à celle définie pour le Cr. Cette fonte à l'aluminium ne prend pas la trempe, elle conserve à haute température sa conductibilité et sa résistance mécanique à l'abrasion et à la fissuration. La fonte du type C est utilisée aux endroits les plus sollicités du haut fourneau, par les flux thermiques, et par les effets d'abrasion mécanique, en particulier pour les plaques de refroidissement du bas de euve, à margelles, et du ventre. A titre d'exemple spécifique d'une fonte du type C à l'aluminium,la fonte présente la composition suivante en pourcentage pondéral: C = 3,8 A1 = 2,3 s = 0,6 Mn = 0, 4 s = O,0 65 P = 0,005 Cr = O 3. 10. REVENDICATIONS 1. Plaque de refroidissement (1) constituée d'un élément en fonte de forme sensiblement parallélépipédique, dans lequel sont noyés des tubes longitudinaLu. (6) dispo- sés parallèlement les uns aux autres, ces tubes débouchant sur une mmne façade principale (5), respectivement aux parties haute et basse de la plaque de refroidissement dans un fourreau protecteur (7, 8), caractérisées en ce que la face opposée (9) à celle o débouchent les tubes de refroidissement est gaufrée. 2. Plaque de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la forme gaufrée de la plaque de refroidissement est obtenue par!'entrecroisement à angle droit de rainures longitudinales (10) et transversales (11). 3. Plaque selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins une rainure transversale comporte des inserts (12) en carbure de silicium faisant saillie sur la face gaufrée (9). 4. Plaque selon l'une quelconque des révendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la face gaufrée (9) comporte une partie en saillie (13) appelée margelle. 5. Plaque selon la revendication 4, caractérisée en ce que la margelle (13) est disposée à la partie supé- rieure ou à une partie médiane de la face gaufrée ou peut constituer le bord supérieur de la plaque de refroidis- sement. 6. Plaque selon la revendication 4 ou 5, caracté- risée en ce que la margelle (13) est refroidie par au - moins un tube transversal (14), noyé dans sa masse, dé- bouchant à travers des fourreaux protecteurs (15) sur la face principale (5) o débouchent les tubes longitudinaux (6). 7. Plaque selon l'une quelconque des revendicatinns 4 à 6, caractérisée en ce que les margelles (13) comportent des inserts en carbure de silicium faisant saillie hors de rainures ménagées à cet effet. 11. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en une fonte à haute conductibilité thermique ayant la composition suivante en pourcentage pondéral c = 3,65 + 0,25 Si = 1,65 + 0,25 MpIn = 1,00 + 0,20 Cr = 0,65 + 0,i5 Ni = 0,25 + 0,05 P - 0,22 S - O, 10 9. Plaque selon la revendication 8, ecaractérisée en ce que la structure cristallographique de la fonte est à gra- phite lamellaire contr816 du type A arrondi prédominant. 10. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en une fonte à l'aluminium, non-trempante, à haute conductibilité thermique ayant la composition suivante en pourcentage pondé- ral: C = 2 a 1; AI 1 à 3 Si = 0 à 1 Mn 0 à 0,7 S = 0 à 0,05 P = 0 à 0,01 Agent d'inoculation à base alliage de Cr, exprimé en Cr: 0,3 à 2 %. 11. Plaque selon la revendication 9, caractérisée en ce que la fonte est inoculée par un alliage à base de cuivre et de terres rares dont 50 % des terres rares sont constituées par du Ce, à la place de la quantité équivalente d'alliage de Cr.