Brevet FR2511271A1 — publié le 19830218

La présente invention concerne un procédé et un appareil de réparation de blocs réfractaires et d'autres substrats, par exemple dans des fours et étuves. Les revêtements réfractaires, par exemple formés de briques ou des revêtements de fours de carbonisation, notamment de fours à coke, ou de fours de traitement des métaux, de fours à poches, de fours pit et de chambres de combustion, sont soumis à une érosion ou une fissuration du fait de l'abrasion, des charges et des contraintes appliquées à une température très élevée. On sait depuis de nombreuses années qu'il est souhaitable de réparer les fours in situ. Il est important dans de nombreux cas que le four ne puisse pas se refroidir très au-dessous de la température de fonctionnement car des détériorations importantes apparaissent, provoquant souvent la perte totale du four. On a mis au point une technique de "pulvérisation-dans une flamme" destinée à résoudre ce problème et qui comprend la pulvérisation de particules réfractaires fondues ou frittées par une lance dans le four et sur la région de la paroi qui doit être réparée, la matière réfractaire s'accumulant alors. La première installation industrielle en Grande-Bretagne est sans doute une installation mettant en oeuvre le transport d'une poudre de silice dans de l'oxygène et la transmission, au bout d'une lance, d'acétylène constituant un combustible. Cette installation est très lente et il faut beaucoup de temps pour qu une quantité notable de réfractaire soit accumulée, et on peut noter que l'opération présente des ris-- ques considérables. Ces risques sont décrits plus en détail dans la suite du présent mémoire. La littérature des brevets contient un certain nombre de propositions dont très peu, s'il y en a effectivement, ont atteint le stade d'exploitation industrielle ou même de mise en oeuvre. Le brevet britannique N 1 151 423 décrit des propositions d'eritralnernent d'un réfractaire en poudre dins un courant d'un tiaz corsbustible qui parurent alors à un brûleur dans lequel i est destiné à ;Z2ler avec un gaz oxydant. Ce brevet propose que la poudre réfractaire soit entrainée non dans un gaz comprimé mais dans un combustible liquide, avantageusement un fuel oil léger.Une autre proposition, bien qu'elle se rapporte essentiellement à un appareil, introduite dans le brevet britannique NO 991 046, concerne aussi le transport d'une matière réfractaire en poudre dans de l'oxygène et la transmission de propane constituant un gaz combustible. Une attaque légèrement différente du problème, par rapport aux propositions antérieures, porte sur l'utilisation d'un élément métallique qui s'oxyde facilement pour la transmission de la totalité ou d'une partie de la chaleur nécessaire à la fusion de la poudre réfractaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 2 741 922 concerne la formation d'une masse d'un réfractaire mise en forme par oxydation d'un mélange d'un élément tel que le magnésium, l'aluminium ou le silicium, avec une charge réfractaire inerte telle que MgO, A1203 ou SiO2. Les produits de la réaction de l'oxydation de ces éléments sont avantageusement eux-mêmes des oxydes réfractaires.Les brevets britanniques plus récents NO 1 330 894 et NO 1 330 895 concernent un procédé et un appareil de pulvérisation dans une flamme mettant en oeuvre des éléments facilement oxydables, ayant une très petite dimension granulaire moyenne (inférieure à 50 microns) et au moins une autre substance.Le mélange en poudre est de préférence transporté dans de l'air enrichi en oxygène ou de préférence dans de l'oxygène, jusqu'à une lance, et le mélange en poudre est enflammé après sa sortie de la lance.- Il est dit quton a constaté, après de nombreuses recherches expérimentales, que les éléments oxydables devaient avoir une dimension particulaire moyenne inférieure à 30 microns et de préférence inférieure à 10 microns de telles petites dimensions particulaires et les grandes surfaces spécifiques correspondantes favorisent une oxydation rapide et une libération de chaleur assurant la fusion ou la fusion superficielle de l'autre substance. I1 est dit que certains risques sont présentés et qu'il est préférable d'utiliser un appareil comprenant un dispositif automatique de sécurité destiné à établir des conditions de sécurité lorsqu'il existe un risque de retour de flamme.On a constaté maintenant que ce risque est très réel ; la vitesse de propagation de flamme dans un tel mélange avec de l'oxygène est bien supérieure à la vitesse normale du gaz, si bien que le retour de flamme est un danger toujours présent.En outre, la très faible dimension particulaire de l'élément oxydable, en plus de l'augmentation du risque de retour de flamme dû à la très grande surface, peut provoquer une inflammation très précoce par rapport à l'émission des particules à l'extrémité de la lance. Cette inflammation précoce provoque la formation du réfractaire sur le bout de la lance ou dans la lance et l'obturation du courant de gaz.Bien que ce procédé et cet appareil aient atteint une exploitation industrielle, on constate que la mise en oeuvre du procédé de réparation est interrompue fréquemment par des conditions de retour de flamme et par obturation de la lance, malgré l'utilisation d'équipes spécialisées et expérimentées d'opérateurs. L'invention concerne un procédé et un appareil qui ne présentent pas les inconvénients précités. Ainsi, l'invention concerne un procédé de pulvérisation à la flamme d'une matière réfractaire, ce procédé comprenant la conservation, dans une réserve, d'un mélange d'un oxyde réfractaire finement divisé et d'un ou plusieurs éléments finement divisés sous forme de métaux ou de métalloides, pouvant facilement brûler sous forme d'oxydes réfractaires, en état de fluidisatior partielle ou totale par un gaz relativement inerte, le dosage du mélange dans un véhicule qazeux relativement inerte par entraînement du mélange dans un jet du véhicule gazeux, la transmission du mélange résultant dispersé dans le véhicule gazeux à une lance, et la transmission d'une quantité suffi- sante d'oxygène à la lance à proximité d'une sortie du mélange pour que les éléments de celui-ci puissent brûler. L'invention concerne aussi un appareil de pulvérisa- tion à la flamme d'une matière réfractaire, comprenant une réserve de matière, un dispositif de fluidisation partielle ou totale de la matière dans la réserve, un dispositif de dosage de la matière provenant de la réserve par entraînement dans un jet d'un véhicule gazeux relativement inerte, un dispositif de transport du mélange résultant vers une lance, et un dispositif d'alimentation de la lance avec de l'oxygène à proximité d'une sortie de la matière dans le véhicule gazeux. Le jet de véhicule gazeux peut être projeté entre les tuyauteries d'entrée et de sortie alignées axialement, placées dans la réserve de matière, et elles sont de préférence montées au-dessus de la base de la réserve et sont placées de préférence pratiquement au centre dans la réserve. I1 est particulièrement avantageux que l'espace séparant les tuyauteries d'entrée et de sortie soit réglable afin que le prélèvement de matière dans le véhicule gazeux varie avec les critères fixés par l'opérateur de l'appareillage. D'autres arrangements destinés à la formation du jet peuvent cependant être utilisés, et ils comprennent en particulier un dispositif à venturi dans lequel la matière est transmise en un ou plusieurs points, perpendiculairement au jet. Un tel dispositif à venturi peut être monté à l'extérieur de la réserve. Bien que la matière, transportée dans le véhicule gazeux relativement inerte, puisse être transmise directement à la lance, il peut être avantageux de mélanger le mélange de matière et de gaz à un gaz relativement inerte d'une seconde réserve avant sa transmission à la lance. Le mélange d'un ou plusieurs oxydes réfractaires et d'un ou plusieurs éléments sous forme d'un métal ou d'un métalloïde est de préférence tel que la composition chimique, après oxydation, est pratiquement identique à celle des briques réfractaires, du revêtement de four, du bloc réfractaire, etc. qui est en cours de réparation. Suivant l'utilisation du réfractaire, on constate que les oxydes réfractaires peuvent être compris dans une plage considérable, allant des briques, blocs ou revêtements acides aux briques, blocs ou revêtements basiques. Les réfractaires normalement utilisés sont essentiellement constitués de silice, d'alumine ou de magnésie, avec de plus petites quantités d'autres oxydes réfractaires tels que ZrSiü4 et ZrO2 ou des oxydes complexes tels que les spinelles. L'analyse de la matière qui doit être réparée est relativement simple, de même que l'établissement empirique de la proportion d'élément oxydable nécessaire à l'obtention d'une pulvérisation satisfaisante à la flamme et d'une composition finale identique. Le mélange peut contenir une petite quantité d'autres ingrédients lorsqu'ils sont souhaitables dans des buts particuliers, et il peut par exemple contenir des particules destinées à donner une matière ayant une résistance élevée à l'abrasion et/ou une conductibilité thermique élevée. D'autre part, on constate en pratique cependant que la réparation bien qu'elle ait la même composition chimique que la brique, etc., à laquelle elle est soudée, a des caractéristiques physiques différentes et résiste habituellement mieux à l'usure ou est en général plus tenace que le réfractaire initial. Une source commode d'oxyde réfractaire est une brique réfractaire ou un réfractaire broyé ayant la même composition que le réfractaire qui doit être réparé. Par exemple, dans les fours de carbonisation, on utilise des briques réfractaires siliceuses ou semi-siliceuses. Cette matière est en général disponible à l'installation ou à l'emplacement auquel la réparation est voulue. Le silicium, l'aluminium et le magnésium en poudre sont disponibles dans le commerce avec diverses dimensions particulaires nominales. En général, la dimension particulaire du mélange n'est pas primordiale, mais il est avantageux d'utiliser l'élément oxydable avec une dimension inférieure à 152 microns ; non seulement le prix est réduit mais encore la libération plus faible de chaleur par les particules plus grosses est supposée contribuer à la réduction du problème de l'obstruction du bout de la lance. Lors de l'utilisation de silicium et d'aluminium en poudre, une dimension particulaire convenable est inférieure à 0,152 mm, et l'oxyde réfractaire a avantageusement une dimension particulaire plus grande que celle de l'élément, par exemple une dimension inférieure à 0,8 mm, bien que des dimensions particulaires plus grosses puissent titre aussi utilisées, surtout lorsque cette dimension correspor,d mieux à la dimension des fissurons pt aux propriétés ptlisi es du réi,rae,aire à réparer. Bien que le résultat d'expériences effectuées dans le cadre de l'invention montre que le mélange du réfractaire et d'un ou plusieurs éléments oxydables ne brûle pas dans de l'air, on peut obtenir une plus grande sécurité et une plus grande fiabilité par utilisation d'un gaz plus inerte, selon l'invention, pour le transport de la matière. Des gaz relativement inertes qui conviennent sont notamment l'azote, l'hélium, l'anhydride carbonique, l'air dépourvu d'oxygène, l'air et leurs mélanges.Lorsqu'un tel gaz relativement inerte est utilisé pour la fluidisation partielle ou totale de la matière de la réserve, le risque d'explosion en présence de poussière est faible malgr-é la réactivité de particules du métal ou du métallolde. Une fluidisation globale n'est pas nécessaire pour l'obtention d'une alimentation et d'un dosage avantageux de la matière pourvu que le courant de gaz dans la matière soit suffisant pour que le déplacement de la matière soit facilité. L'utilisation d'une première réserve de gaz relativement inerte pour le dosage de la matière et d'une seconde réserve de gaz relativement inerte pour une dispersion plus importante de la matière et son transport vers la lance donne d'excellentes propriétés de réglage et de souplesse à la mise en oeuvre du procédé de l'invention. En particulier, elle facilite l'établissement de la flamme de combustion au niveau de la lance avec un débit relativement faible de matière, ce débit pouvant être accru à une valeur convenant à la réparation du substrat. Elle facilite aussi le transport des particules relativement grosses. La quantité de mélange transporté dans le gaz relativement inerte est par exemple de l'ordre de 0,1 kg pour 50 1 de gaz à la pression de travail, et un débit d'environ 0,1 kg par minute est représentatif, ce débit étant commode pour la réparation des fours de carbonisation par exemple, mais des débits plus élevés peuvent être utilisés bien que le réglage de la mise en place du mélange par l'opérateur puisse en être affecté de façon nuisible. Les gaz utilisés peuvent être transmis par des bouteilles ou des réservoirs sous pression ou par des canalisations ; par exemple une canalisation d'air comprimé peut être utilisée pourvu que l'air soit suffisamment sec pour qu'il ne pose pas de problème d'agglomération dans la réserve de matière ou à d'autres endroits dans l'appareil. La quantité d'oxygène transmise pour la quantité avantageuse de mélange dans le gaz indiquée précédemment correspond à un rapport d'oxygène total du véhicule gazeux d'environ 2/1, suivant la température de la zone de la réparation. L'utilisation d'oxygène pur n'est pas indispensable cependant pourvu qu'une quantité suffisante d'oxygène soit transmise pour que la combustion continue des éléments soit entretenue. De préférence, la tuyauterie d'alimentation d'oxygène est raccordée à un distributeur annulaire placé autour du premier tube d'alimentation, Si bien que la matière disper sée dans le premier courant gazeux sort de la lance en formant un "rideau"d'oxygene enveloppant. D'autres configurations de courant gazeux peuvent cependant être utilisées, et il peut être avantageux de provoquer un tourbillon de gaz. Par raison de sécurité, lors de la manipulation d'oxygène, il est avantageux que tous les tubes métalliques des raccords qui sont au contact de l'oxygène ou d'un gaz riche en oxygène ne soient pas formés d'acier doux mais soient formés de laiton, d'acier inoxydable ou de cuivre dépourvu d'arsenic. Le jet ou la pulvérisation provenant de la lance, correspondant à une composition convenable du mélange et à des débits convenables de véhicule gazeux et d'oxygène, peut être facilement enflammé par contact avec la paroi chaude du four ou avec une flamme. Le jet ou la pulvérisation est immédiatement transformé en une pulvérisation de matière réfractaire dans une flamme et le contact de la pulvérisation et de régions érodées ou de fissures du four provoque la fusion et l'accumulation de particules fondues ou frittées qui sont projetées. Une liaison très robuste se forme entre la paroi du four et la matière réfractaire qui s'accumule. La pulvérisation dans la flamme est de préférence lentement déplacée sur la zone à réparer afin d'éviter un affaissement du fait d'une accumulation localisée trop importante de la matière réfractaire. On constate que la combustion du mélange ne commence pas avant une certaine distance du bout de la lance, lorsnue le mélange et l'oxygène sont suffisamment mélangés. De cette manière, tout encrassement important du bout de la lance par accumulation de réfractaire est évité, et l'opération peut être facilement réalisée de manière continue. Il faut noter que, lorsque la lance est utilisée pendant un long temps dans des conditions de température élevée, par exemple à grande distance dans un four de carbonisation, il est avantageux de refroidir la lance. L'opération peut être réalisée par circulation d'eau dans des tubes ou serpentins qui sont en contact thermique avec les tubes d'alimentation ou par refroidissement par circulation forcée d'air ou de gaz. D'autres caractéristiques et avantages de 1' inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est un schéma d'un appareil selon l'invention. Une charge d'une poudre de soudage 1 est conservée dans une réserve 2 de matière qui doit être facilement ouverte afin qu'elle soit rechargée en poudre. A proximité mais à distance de la base sont disposées des canalisations 3 et 4 d'entrée et de sortie d'azote comprimé, ces canalisations étant alignées axialement et délimitant un espace 5 entre leurs extrémités. Cet espace peut avoir une longueur réglée sous la commande d'un dispositif mécanique simple monté à l'extérieur du récipient, si bien que le débit de la poudre de fusion en suspension dans un gaz, dans la canalisation de sortie, peut être réglé par un opérateur. Des bouteilles d'azote oomprimé 6 et d'oxygène comprimé 7, avantageusement montées sur un support portatif qui peut être utilisé ou non aussi comme support de la réserve de matière, assurent l'alimentation par l'intermédiaire de détendeurs 8 et de débitmètres tels que des rotamètres 9, par des canalisations 10 et Il d'azote et d'oxygène. Les deux canalisations comportent des soupapes 12 et 13 à proximité de la lance qui est repérée par la référence 14, si bien que l'opérateur de la lance peut assurer un réglage pratiquement total des débits d'alimentation de gaz. La canalisation d'oxygène alimente directement une chambre manuelle 15 de mélange qui fait partie de la lance.Une partie de -l'azote transmis est prélevée et parvient à une chambre 16 placée sous la réserve 2, l'azote passant dans un grand nombre d'ouvertures formées dans la base afin que la charge 1 soit partiellement fluidisée. Le jet d'azote prélève une quantité réglée de poudre de soudage et l'entraîne, sous forme dispersée, par la canalisation 4 de sortie vers la chambre 15 de mélange. Une lance 17 est montée de façon amovible sur la chambre de mélange et elle peut être choisie en fonction du travail qui doit être réalisé ainsi que de l'accessibilité de l'emplacement à réparer dans le four, la poche ou analogues. On constate au cours d'essais pratiques de réparation de substrats à température élevée et faible (autour de 6000C) qu'un opérateur peut exécuter les réparations après un entraînement de quelques minutes seulement. Lorsque les détendeurs 8 sont fermés, le réglage de la soupape 12 de la canalisation d'azote fait varier le débit de distribution de poudre parvenant à la chambre 15 de mélange. Le réglage ultérieur de la soupape 13 de canalisation d'oxygène permet à l'opérateur d'optimiser le comportement de la combustion de la poudre au cours de l'opération de pulvérisation dans une flamme. Les rotamètres 9 indiquent les débits d'azote et d'oxygène à l'opérateur afin qu'il puisse contrôler l'opération. Les rotamètres sont évidemment choisis afin qu'ils donnent une indication nette des débits compris vers le milieu de la plage et qui conviennent en général, bien que les débits d'azote et d'oxygène ne soient évidement pas les mêmes. Une caractéristique importante du fonctionnement et de l'emplace- ment de soupapes est que, en cas d'urgence ou lorsqu ' un inci dent est prévu, 'opérateur p e t i -el-- romor e immédiatement 1 opelation. Dans un exemple de réparation d'une paroi de briques réfractaires semi-siliceuses fissurées ou érodées dans une chambre de four, la poudre de soudage contient 9 ,0é en poids d'aluminium, 31 eé en poids de silicium et 60 eé de brique réfractaire semi-siliceuse concassée. Les éléments métalliques sont broyés de manière que 10 eé passent par un tamis à orifices de dimension inférieure à 0,152 mm et que la brique réfractaire ait une dimension particulaire inférieure à 0,8 mm. La réactivité de la poudre peut être modifiée par variation de la proportion de matière semi-siliceuse dans le mélange.Une autre poudre convenable de soudage contient 12 ,tÓ de silicium, 4 % d'aluminium et 84 ecó de silice. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'espace séparant les tuyauteries d'entrée et de sortie est réglé à 6,4 mm, et la soupape de réglage d'alimentation est réglée afin qu'elle donne un débit d'azote d'environ 50 1/min à une pression manométrique d'entrée de 1,035 bar. L'alimentation en oxygène est alors réglée afin que le débit soit de 100 1/min à une pression manométrique de 1,104 bar, c' est-à- dire une pression légèrement positive par rapport à celle de l'azote. Dans ces conditions, le débit de distribution de poudre est de l'ordre de 100 à 120 g/min pour une capacité de trémie de 5 kg, et le temps de soudage réel en cours de fonctionnement est de 1 heure.La pulvérisation de poudre provenant de la lance est enflammée par contact avec une paroi chaude (8000C) dans le four de carbonisation et forme une pulvérisation dans une flamme qui, lorsqu'elle est dirigée sur la zone désignée, dépose une matière solide vitreuse qui est liée chimiquement à sa surface. L'appareil selon l'invention est relativement simple et fiable et il ne nécessite pas des opérateurs qualifiés ou des opérations d'entretien élaborées, et en particulier, il est de fonctionnement sûr. Des ensembles très portatifs peuvent être réalisés à un coût relativement faible, si bien que des emplacements séparés peuvent comprendre leurs propres ensembles de réparation de défauts avant une dégradation plus importante. Il s'agit d'une différence très importante avec le principal procédé industriel de pulvérisation à la flamme qui nécessite une équipe d'opérateurs expérimentés. Ce procédé connu impose des précautions importantes et de nombreuses mesures de sécurité car la poudre de soudage est transportée dans l'oxygène.En outre, étant donné le coût de la mise en oeuvre de ce procédé connu, on laisse habituellement un certain nombre de défauts s'accumuler avant que les réparations nécessaires soient effectuées. Par rapport à l'appareil connu, l'appareil selon l'invention constitue un équipement mécaniquement simple qui alimente de manière fiable la lance sans provoquer une ségrégation granulométrique ou par secouage des particules transmises. En outre, un seul opérateur peut commander tous les paramètres nécessaires à un travail satisfaisant de réparation. Cette caractéristique montre aussi que le seul opérateur peut facilement régler tous les paramètres nécessaires à un fonctionnement sûr et ne doit pas se fier pour cela à une communication avec un autre opérateur. Les réparations peuvent être réalisées avec l'appareil et le procédé selon l'invention sur des substrats froids lorsque la pulvérisation de matière est enflammée par exemple avec une flamme séparée. REVENDICATIONS 1. Procédé de pulvérisation à la flamme d'une matière réfractaire par combustion d'éléments finement divisés sous forme de métaux ou de métalloldes, mélangés à un oxyde réfractaire finement divisé, caractérisé en ce que le mélange est maintenu sous forme fluidisée totalement ou partiellement par un gaz relativement inerte dans une réserve de matière (2), le mélange est dosé dans un véhicule gazeux relativement inerte par entraînement dans un jet de gaz, le mélange entraîné est transmis à une lance (14), et une quantité suffisante d'oxygène transmise à la lance (14) près d'une sortie du mélange pour que les éléments puissent brûler. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jet de véhicule gazeux est projeté entre des tuyauteries d'entrée et de sortie (3, 4) alignées axialement et placées dans la réserve de matière (2). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le prélèvement de mélange est modifié par réglage de l'espace séparant les tuyauteries d'entrée et de sortie (3, 4). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la quantité de mélange entraînée est d'environ 0,1 kg pour 50 1 de véhicule gazeux. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit de mélange est d'environ 0,1 kg par minute. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le véhicule gazeux est choisi dans le groupe qui comprend l'azote, l'hélium, l'anhydride carbonique, l'air dépourvu d'oxygène, l'air et leurs mélanges. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le véhicule gazeux est l'air, et l'oxygène est transmis afin qu'il entretienne la combustion pour un rapport volumique d'environ 2/1 d'oxygène à l'air. 8. Appareil de pulvérisation d'une matière réfractaire à la flamme à l'aide d'une lance, caractérisé en ce qu'il comprend une réserve de matière (2), un dispositif (16) destine à assurer une fluidisation totale ou partielle de la matière dans la réserve, un dispositif (3, 4) de dosage de la matière de la réserve par entraînement dans un jet d'un véhicule gazeux relativement inerte, un dispositif de transport de la matière entraînée vers la lance (14), et un dispositif (13) destiné à transmettre l'oxygène près de la sortie de la lance. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le jet de véhicule gazeux est projeté entre des tuyauteries d'entrée et de sortie (3, 4) qui sont alignées axialement dans la réserve de matière (2). 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espace séparant- les tuyauteries d'entrée et de sortie (3, 4) peut être réglé afin que le prélèvement de la matière dans le véhicule gazeux varie. 11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le gaz utilisé pour la fluidisation et le gaz utilisé pour l'entraînement sont réglables séparément.