Brevet FR2520382A1 — publié le 19830729

La présente invention concerne la protection thermique des ceintures de convertisseurs d'aciérie. Dans un convertisseur dtaciérie, la partie principale est cons tituée par la cuve métallique, ou cuirasse, garnie intérieurement de réfractaires. La ceinture est un anneau, de section généralement rectangulaire, qui entoure et supporte la cuve, et qui est munie de deux tourillons montés sur paliers. Sur de gros convertisseurs de 250 à 300 tonnes de capacité, la ceinture peut atteindre trois mètres de hauteur. La fonction de la ceinture est non seulement de supporter la cuve, mais aussi d'en assurer la rotation,afin de réaliser toutes les positions angulaires souhaitées par l'aciériste, tout en laissant à la cuve la possibilité de se dilater axialement et radialement. La ceinture du convertisseur, comme d'ailleurs aussi la cuve, est soumise à des contraintes thermiques variables dans le temps, et qui convient de réduire le plus possible. Les principales sources d'échauffement de la ceinture sont tout d'abord la cuve, qui contient le bain métallique à affiner, et qui est donc modérément chaude (si elle ntest pas refroidie), puis les débordements occasionnels, de métal (ou de laitier) en fusion, par le bec du convertisseur, enìn le rayonnement du laitier lors du décrassage et celui du métal liquide lors de sa coulée en poche. Soumise à des contraintes thermiques trop fréquentes ou trop importantes, la ceinture se déforme et se dégrade. On a déjà tenté d'y remédier de deux manières différentes (a) en réalisant à l'intérieur de la ceinture un circuit de refroidissement par eau ; mais c'est une complication, car, compte tenu des grandes dimensions de la ceinture, le débit d'eau doit être relativement important, ce qui provoque une surcharge des paliers supportant les tourillons de la ceinture, et ce débit est rarement bien adapté au résultat à obtenir, car en soufflage normal, la quantité de chaleur à évacuer est assez faible, alors qu'elle devient subitement relativement importante lors de débordements occasionnels, lors du décrassage, et lors de la coulée en poche. (b) en refroidissant par une circulation d'eau la cuve, ou au moins une partie de celle-ci, par exemple le cône du bec et la partie cylindrique de la cuve ; on supprime ainsi pratiquement, pour la ceinture, toute la cha leur en provenance de la cuve, mais on laisse subsister entièrement l'ef- fet des autres sources de chaleur : débordements, décrassage, coulée en poche. Le but de la présente invention est de réaliser une protection thermique complète de la ceinture contre toutes les sources d'échauffement, sans la refroidir par une circulation d'eau. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de protection thermique de la ceinture des convertisseurs d'aciérie, caractérisée à la fois en ce que la partie cylindrique de la cuve du convertisseur est refroidie par une circulation d'eau, et en ce que la principaleiL-- ce externe de la ceinture est protégée contre les sources extérieures de chaleur par un écran thermique accolé ou placé à faible distance, fixé sur la ceinture ou sur la cuve, et constitué d'une tôle revêtue dtune épaisseur convenable d'un matériau thermiquement isolant. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, les deux autres faces externes de la ceinture, encore appelées "semelles", c'est-à-dire, en position de soufflage, la face supérieure et la face inférieure, sont également protégées par un écran thermique semblable à protecteur de la principale face externe. Selon une autre caractéristique particulière de la présente invention, les écrans thermiques peuvent n'être disposés que sur deux segments de la circonférence de la ceinture, celui qui est exposé au rayonnement de la cuve à scorie et celui qui est exposé au rayonnement de la poche de coulée. C'est ainsi qu'on peut parfois limiter les écrans thermiques à deux segments de circonférence de 600 chacun, l'un étant situé du côté du trou de coulée, et l'autre étant situé d'une manière diamétralement opposée, du côté du décrassage. Ces deux demi-écrans thermiques présentent chacun une symétrie par rapport au plan perpendiculaire à l'axe des tourillons et passant par l'axe du convertisseur, et, le plus eouvent, ils sont symétriques l'un de l'autre par rapport au plan formé par l'axe des tourillons et l'axe du convertisseur. Ainsi, l'un des principaux caractères de l'invention est une judicieuse complémentarité entre le refroidissement de la partie cylindrique de la cuve et l'isolement thermique de la ceinture par écran. Avec le seul refroidissement de la cuve, la ceinture ne serait protégée thermiquement qu'à l'encontre du flux de chaleur émis par la cuve, et resterait complètement exposée aux autres sources de chaleur. Inversement, avec le seul écran thermique, la ceinture eerait protégée contre les effets thermiques des débordements par le bec, du décrassage et de la coulée en poche, mais elle recevrait le flux de chaleur émis par la cuve, sans pouvoir ltévacuer, puisque l'écran thermique s'y opposerait, et ainsi elle s'échaufferait exagérément. C'est la coopération du refroidissement de la cuve et de l'isola- tion thermique de la ceinture qui assure la totalité de la protection thermique de la ceinture selon l'invention. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire ci-après à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans cet exemple, il s'agit d'un convertisseur de 100 tonnes de capacité, à lance verticale, dont la cuve et la ceinture sont munies d'un dispositif de protection thermique selon l'invention. La figure 1 est une coupe de la ceinture par le plan perpendiculaire à l'axe du convertisseur et passant par l'axe des tourillons de basculement. C'est un plan horizontal en position de soufflage. La figure 2 est une coupe, verticale en position de soufflage, selon AA, à 900 de l'axe des tourillons, de la cuve refroidie et de la ceinture munie, selon l'invention, de son écran thermique latéral et d'une collerette protégeant la semelle supérieure, mais sans protection de la semelle inférieure. La figure 3 est une coupe, verticale en position de soufflage, de la cuve refroidie et de la ceinture, selon BB, à 450 de l'axe des tourillons, sans écran thermique latéral. La figure 4 est une coupe de la seule ceinture selon AA, 'écran thermique n'étant pas représenté), indiquant six positions, numérotées de 1 à 6, de thermocouples, effectuant des mesures de température en service. La figure 5 est une coupe de la ceinture selon BB, indiquant quatre positions, numérotées de 7 à 10, de thermocouples, effectuant des mesures de température en service. La figure 6leprésente des courbes de température relevées dans la section BB, dans les positions 7 à 10. La figure 7 représente des courbes de température relevées dans la section AA, dans les positions 1 à 6, et en l'absence d'écran thermique. La figure 8 représente des courbes de température relevées dans la section AA, dans les positions 1 à 6, et en présence d'un écran thermique selon la figure 2. Enfin, la figure 9 est une coupe selon AA de la cuve refroidie et de la ceinture munie, selon l'invention, à la fois de son écran thermique latéral, d'une collerette protégeant la semelle supérieure et d'un écran thermique protégeant la semelle inférieure. Sur la figure 1 sont représentées, en coupe horizontale, la ceinture et la cuve du convertisseur de 85 tonnes selon le présent exemple la ceinture est munie de deux demi-écrans thermiques selon l'invention. Dans ce convertisseur, la partie conique de la cuve aboutissant au bec du convertisseur et la partie cylindrique de la cuve sont toutes deux refroidies par une circulation d'eau, La ceinture en question a une hauteur de 2,20 mètres. Elle est faite de tôles soudées. Elle comprend - une virole intérieure, de 6,8 mètres de diamètre intérieur et de 50 nn d'épaisseur, - une virole extérieure, de 8 mètres de diamètre intérieur et de 60 nnn d'épaisseur, - une semelle supérieure, de 660 mm de largeur et de 100 mm d'épaisseur, formant un anneau plat, - une semelle inférieure de mêmes dimensions. Sur la figure 1, on distingue schématiquement en coupe horizontale en position de soufflage - la ceinture 11, munie des deux tourillons de basculement 12 et 12', - la cwe 13, munie extérieurement d'un faisceau de canaux à circulation d'eau tels que 14, et revêtue intérieurement du revêtement réfractaire 24 du convertisseur, - un premier demi-écran thermique, du côté de la coulée, constitué d'une tôle cylindrique 15 et d'un matériau isolant 16, couvrant un premier segment de circonférence de la ceinture de 600, - un deuxième demi-écran thermique, du côté du décrassage, constitué d'une tôle 15 bis et d'un matériau isolant 16 bis, couvrant un autre segment de circonférence de la ceinture de 600. On pourrait naturellement prolonger l'écran thermique, protégeant la face externe verticale de la ceinture, sur la totalité de la circonférence de la ceinture, commue indiqué en pointillés en 15' et 16' sur la figure 1, mais on ne l'a pas jugé inispensable dans l'exemple qui est ici décrit. Il faut toutefois remarquer que, dans le présent exemple, la semelle supérieure de la ceinture a été protégée contre les débordements de métal en fusion par un écran thermique en forme de collerette, qui fait le tour complet du convertisseur et qui est visible en 23 sur les figures 2 et 3. En revanche, pendant la période d'expérimentation, aueune protection speciale n'a été réali la sée pour/semelle inférieure. Une telle protection a néanmoins été jugée utile ultérieurement. La figure 2 est une coupe, selon AA, de la ceinture, et de la cuve, du côté de la coulée. La tôle 13 de la cuve est refroidie par des canaux tels que 14. La ceinture comporte une virole intérieure 17, une virole extérieure 18, une semelle supérieure 19 et une semelle inférieure 20. L'écran thermique qui protège la virole extérieure 18 est constitué d'une tôle cylindrique 15, de douze millimètres d'épaisseur, revêtue intérieurement d'un matériau isolant 16, de 40 millimètres d'épaisseur. L'intervalle 21 qui sépare l'écran thermique 15-16 de la virole extérieure 18 de la ceinture mesure ici 68 millimètres. De son côté, l'intervalle 22 qui se trouve entre la virole intérieure 17 de la ceinture et le canal 14 de refroidissement de la cuve 13 mesure 125 millimètres. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement une coupe de la collerette métallique 23 protégeant la ceinture contre les débordements de laitier et de métal par le bec du convertisseur. La collerette 23 est boulonnée sur des supports non représentés et soudés en 23 bis à la tôle 13 de la cuve. De son côté, la semelle inférieure 20, dans le mode de réalisation selon la figure 2, ntest pas protégée thermiquement. La figure 3 est une coupe de la ceinture et de la cuve selon ssB, donc sans écran thermique, mais avec la collerette 23. Les repères sont les mêmes que sur la figure 2. La figure 4 représente le positionnement de six thermo-couples 1, 2, 3, 4, 5, 6 disposés dans la section selon AA de la ceinture, donc dans une section protégée par l'écran thermique 15-16. La figure 5 représente le positionnement de quatre thermo-couples 7, 8, 9, 10 disposés dans la section selon BB de la ceinture, donc dans une section non protégée par écran. Grâce à ces dix thermo-couples, de très nombreuses mesures de température de la ceinture ont pu être effectuées pendant le fonctionnement du convertisseur. Pour la représentation simplifiée des résultats, on a distingué le début de campagne du convertisseur, c'est-à-dire lorsque le revêtement réfractaire 24 du convertisseur présente l'épaisseur maximale, puis la mi-campagne, donc à mi-usure de ce revêtement, et la fin de campagne, quand le revêtement réfractaire devient mince, et laisse passer davantage de chaleur. Sur chacune des figures 6, 7 et 8, on a donc reproduit trois jeux de courbes de température, en fonction du temps, sur un intervalle de temps de 8 à 10 heures, chacune de ces courbes correspondant à un thermo-couple déterminé. La figure 6 présente les courbes de température 7, 8, 9, 10 enre gistrées dans la section BB, ctest-à-dire non protégée par un écran thermi- que. A titre de référence, la figure 7 présente les courbes de tempéra- ture 1, 2, 3, 4, 5, 6 enregistrées dans la section AA (côté coulée) avant4; la pose de l'écran thermique 15-16. La figure 8 représente les courbes de température 1, 2, 3, 4, 5, 6 enregistrées dans la section AA, après la pose de l'écran thermique 15-16, donc en appliquant l'invention (mais sans protection thermique de la semelle inférieure 20). Dans tous les cas, la cuve est refroidie à l'eau, et la ceinture n'est pas refroidie. Voici ce quton observe sur ces trois figures 6, 7 et 8 : Figure 6 - selon BB - sans écran Les températures se situent en moyenne entre 800 et virole intérieure 17 de la ceinture, et entre 1000 C et 1500C pour la virole extérieure 18. En cours de campagne, la diminution d'épaisseur du revêtement réfractaire du convertisseur n'a pas d'effet sensible sur l'évolution de ces températures. I1 en est de meme pour la coulée en poche, car la section BB n'est pas soumise directement au rayonnement du jet d'acier coulant en poche. En revanche, les débordements par le bec perturbent assez sensiblement les températures 7 et 8 de la virolé extérieure, la virole intérieure restant plus insensible à cause de sa proximité de la cuve refroidie à l'eau. En dehors de ces courtes périodes de débordements, toute la section BB se tient à + 150C, pour une température moyenne de 1000C environ. C'est pourquoi il nta pas été jugé utile ici de placer un écran thermique devant la section BB. Figure 7 - Section AA - sans écran thermique C'est la section au droit du trou de coulée. Le profil thermique de cette section est fortement influencé par la coulée en poche. Les trois couples 1, 2, 3 de la virole externe subissent des fluctuations de ce fait, et surtour le numéro 2, qui peut subir un accroissement instantané de 500C. En revanche, les trois couples 4, 5, 6 de la virole interne subissent peu de fluctuations, du fait de leur proximité de la cuve refroidie, mais ils se trouvent à un niveau thermique nettement plus élevé que les couples 9 et îb de la virole interne de la section BB (+400C pour 5, et + 200C pour 6). En résumé, les contraintes thermiques de cette section AA sont très élevées en ltabsence d'écran thermique selon l'invention. Figure 8 - Section AA - avec écran thermique La comparaison des figures 7 et 8 fait apparattre clairement l'a- mélior;tion importante apportée par la mise en place de l'invention, notam ment - par effacement de effet de rayonnement de l'acier liquide lors de la coulée en poche, - par homogénéisation thermique transversale, car les courbes 2 et 5 sont proches l'une de l'autre, ainsi que les courbes 3 et 6, et les courbes 1 et 4, - par abaissement de la température moyenne, dans toute la section AA considérée, d'une quantité importante, entre 400 et 600C en moins pour la virole externe, et entre 100 et 300C en moins pour la virole interne, Ainsi, dans le cas de l'invention, le refroidissement de la cuve a un effet thermique favorable non seulement sur la cuve, mais aussi sur la ceinture, parce que cette dernière est protégée par un écran thermique au droit de la coulée et au droit du décrassage. Naturellement, dans certains cas, il peut être intéressant que ltécran thermique ne soit pas limité au droit de la coulée et au droit du décrassage, et qutil s'étende à d'autres parties de la circonférence, par exemple à la totalité de celle-ci. Les courbes de température de la figure 8 ont été obtenues avec une ceinture dont la semelle inférieure 20 n'était pas protégée thermiquement. On a pu obtenir une réduction supplémentaire des montées en températu r. des points 3 et 6 de la section AA en propageant également la semelle inférieure 20 de la ceinture, comme indiqué schématiquement sur la figure 9. L'écran thermique de la semelle 20 est constitué par une tole 24, de 12 millimètres d'épaisseur comme la tôle 15 de écran latéral, revêtue sur le dessus d'un matériau isolant 25 de 50 millimètres d'épaisseur, avec un intervalle 26 de 150 millimètres entre l'écran thermique 24-25 et la semelle inférieure 20 de la ceinture. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'in- vention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager lemploi de moyens équivalents. L'invention s'applique principalement aux ceintures de convertisseurs d'aciérie. Mais elle peut s'appliquer également à la protection thermique de toute pièce de support ou d'armature d'un four industriel. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection thermique de la ceinture des convertisseurs d'aciérie, caractérisé à la fois en ce que la partie cylindrique de la cuve du convertisseur est refroidie par une circulation d'eau, et en ce que la principale face externe de la ceinture est protégée contre les sources extérieures de chaleur par un écran thermique accolé ou placé à faible distance, fixé sur la ceinture ou sur la cuve, et constitué d'une tôle revêtue d'une épaisseur convenable d'un matériau thermiquement isolant. 2.- Dispositif de protection thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux autres faces externes de la ceinture, encore appelées "semelles", c'est-à-dire, en position de soufflage, la face supérieure et la face inférieure, sont également protégées par un écran thermique semblable à l'écran protecteur de la principale face externe de la ceinture. 3.- Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les écrans thermiques ne sont disposés que sur deux segments de la circonférence de la ceinture, celui qui est exposé au rayonnement de la cuve à scorie et celui qui est expose au rayonnement de la poche de coulée. 4.- Dispositif de protection thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux segments munis d'écrans thermiques couvrent chacun un angle de 600.