Brevet FR2526142A1 — publié le 19831104

La présente invention se rapporte à la métallurgie, plus particulièrement aux fours électriques pour minerais dans lesquels la fusion est réalisée avec des électrodes plongées jusqu'à une certaine profondeur dans le laitier fondu, et a notamment pour objet une cuve d'un tel four électrique. Il s'agit principalement des fours électriques pour produire des alliages ferrométalliques et, plus spécialement, pour obtenir le ferronickel à partir de minerais de nickel oxydés. Comme on le sait, les cuves des fours électriques possèdent, en tant que parties essentielles, un revêtement intérieur qui forme une sole et des parois, une enveloppe métallique et une couche d'étanchéité entre l'enveloppe et le revêtement intérieur . Les cuves des fours électriques ont des orifices de coulée du laitier et du produit obtenu. Les revêtements des cuves dans les fours électriques sont soumis non seulement à une action thermique puissante, mais aussi à une forte action corrosive des bains de laitier fondu. Des problèmes particulièrement difficiles à résoudre se posent en ce qui concerne la protection des reyêtements contre les bains de laitiers acides spécifiques de la fusion réductrice du ferronickel. Habituelement, pour améliorer la résistance des revêtements des fours électriques destinés à fonctionner en présence de bains de laitier, on fait appel, pour les fabriquer, à des matériaux à base de magnésite, en particulier aux briques réfractaires de magnésite ou de chromemagnésite (voir, par exemple, éléments de métallurgie", Moscou, 1961, tome I, partie II, pages 78-82), ou bien à une masse réfractaire qui se compose de magné site en poudre et d'argiles réfractaire (certificat d'auteur URSS N0104437 publié le 31 octobre 1966).Les revêtements en matières magnésitiques résistent bien quand-la puissance spécifique du four est relativement basse, mais à partir de puissances spécifiques de 70 à 90 kW/m2 on constate déjà une destruction par corrosion intense de ces revêtements, surtout dans la zone d'action du bain de laitier fondu On connatt des procédés de protection des revêtements de fours électriques contre l'action corrosive des bains de laitier fondu, par congélation avec formation d'une couche de garnissage sur la surface intérieure du revêtement. Ceci est obtenu en évacuant le flux de chaleur de ladite surface par refroidissement. Ce principe est utilisé dans différents types connus de cuves de four électrique. Sont également connues des cuves de four électrique pour minerais, dans lesquelles le revêtement de maçonnerie réfractaire renferme, dans la zone du bain de laitier fondu et à une distance relativement faible de la surface intérieure, des éléments encastrés refroidis par eau caissons (demande de brevet anglais acceptée NO 1444507, publiée le 4 avait 1976) ou serpentins (certificat d'auteur URSS NO 491012, publié le 5 novembre 1975). Dans de telles cuves, une couche suffisamment épaisse de garnissage se forme dans la zone d'action du la itier sur la surface intérieure du revêtement.Cependant, 'a proximité des éléments encastré refroidis par eau, à la surface intérieure du revêtement crée un risque d'apparition de brûlures non contrdlables qui s'accompagnent d'irruptions d'eau dans la cuve et par conséquent de pannes. D'autre part, le grand nombre d'entrées et de sorties pour la circulation d'eau dans ce type de cuves de four électrique complique sensiblement le problème de l'étanchéitéde ces cuves.Or, si l'étanchéité n'est pas complète, il se produit des aspirations d'air qui conduisent à une baisse des Indices économiques de fonctionnement des fours électriques0 D'autre part, il faut aussi tenir compte du fait que l'emploi d'éléments encastrés refroidis par eau augmente considérablement le volume et la durée des travaux de réparation On connait une cuve de four électrique pour minerais pour l'élaboration de ferro-alliages, qui comporte une doublure exécutée avec emploi de blocs de carbone réfractaires, une enveloppe métallique avec des moyens de refroidissement extérieur et une couche d'étanchéité entre ladite enveloppe et ladite doublure (voir "Revêtements de fours pour ferro-alliages" dans le recueil "Revue des informations publiées par TSNIItchermet", Moscou, 1976, série 5, fascicule 2).Cette cuve connue est la plus proche de celle faisant l'objet de l'invention. Elle est assez simple au point de vue construction et réparation, présente une bonne étanchéité et assure les conditions nécessaires à la formation d'une couche protectrice de garnissage sur la surface intérieure de la doublure. Cependant, la tenue relativement bonne du revêtement de doublure dela cuve de ce four électrique ntest assurée que pour des puissances spécifiques allant Jusqu'à 100 120 kW/m2, Ceci ne permet pas d'élever la puissance du four et par conséquent son rendement. En tant que blocs réfractaires à carbone, on utilise,dans cette cuve, des blocs de charbon. Or, comme l'ont démontré les calculs et les études expérimentales, lorsque les blocs de charbon ont une épaisseur assurant la résistance mécanique nécessaire, quel que soit le matériau de la couche d'étanchéité, il est impossible, quand les puissances spécifiques sont supérieures à celles indiquées ci-dessus, d'évacuer des flux thermiques suffisants pour congeler une couche de garnissage d'épaisseur suffisante pour remplir des fonctions protectrices. Il s'agissait donc de créer une cuve de four électrique pour minerais, dans laquelle le revêtement intérieur, en combinaison avec les moyens de refroidissement extérieur de la cuve, assurerait, même aux puissances spécifiques très élevées, la formation d'une couche protectrice de garnissage. Ce problème est résolu grâce à une cuve de four électrique pour minerais, du type dans lequel la fusion est réalisée avec des électrodes plongées dans le bain de laitier fondu, et comportant un revêtement de doublure exécuté avec emploi de blocs de carbone réfractaires, une enveloppe métallique avec des moyens de refroidissement extérieur et une couche d'étanchéité entre ladite enveloppe et ledit revêtement de doublure, caractérisée, selon l'invention, en ce que des blocs graphitiques sont utilisés en tant que blocs de carbone réfractaires dans la zone où se trouve le bain de laitier fondu, ces blocs graphitiques ayant une épaisseur telle que la somme des résistances thermiques de ces blocs et de la couche d'étanclléité est comprise entre 0,01 et 0,09 m2. heure degré/kcal/ soit 0,0086 et 0,0774 m2eC/W, et la partie inférieure du revêtement de la cuve étant composée de blocs de charbon. On sait que la résistance thermique de n'importe quel élément de structure s'exprime par le rapport de l'épaisseur de cet élément à son coefficient de conductibilité thermique. Comme l'ont confirmé les expériences effectuées, l'emploi de blocs graphitiques dans la zone où se trouve le bain de laitier fondu, avec la valeur précitée de la résistance thermique totale de la cuve dans cette zone, permet d'évacuer un flux de chaleur suffisant pour congeler une couche protectrice de garnissage assurant une protection solide du revêtement dans les fours électriques modernes les plus > santes, d1une -puissaice spécifique de 200 à - 300 kW/m2 et davantage.D'autre part, cette association de blocs graphitiques avec des blocs de charbon s'avère optimale, car les blocs de charbon dans le métal fondu font preuve de pius de résistance et, en plus, permettent d'éviter la formation d'échafauds réduisant ltespace de fusion et nécessitent une quantité de travail supplémentaire pour percer les trous de coulée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de cele-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références au dessin unique annexé représentant une vue en coupe de la cuve de four électrique pour minerais conforme à l'invention. La cuve de four électrique pour minerais qui figure sur le dessin est destiné à l'élaboration de ferro-alliages par fusion réductrice avec électrodes plongées dans le bain de laitier fondu. Cette cuve est constituée d'un revêtement se composant d'une sole 1 et de parois latérales 2, d'une enveloppe métallique 3 et d1une couche d'étanchéiti interposée 4. La cuve contient aussi des moyens 5 pour refroidir de l'extérieur l'enveloppe métallique, ces moyens se présentant sous forme d'un système drarrosage par eau'. Des orifices 6 et 7 sont prévus dans la paroi de la cuve pour la coulée du laitier et du métal, respec vivement. Le révêtement de la cuve est constitué de blocs réfractaires. Suivant la présente invention, les parois 2, dans la zone du laitier fondu, sont constituées de blocs réfractaires graphitiques 8, tandis que la partie inférieure des parois 2 et la sole 1 sont en blocs réfractaires de charbon 9. La partie supérieure des parois 2, qui s'étend au-dessus de la zone du laitier fondu jusqu'au niveau de la voûte du four électrique, peut être réalisée en un matériau réfractaire convenable quelconque, par exemple en briques alumineuses désignées en 10. L'épaisseur des blocs réfractaires graphitiques 8 est suffisante pour en assurer la résistance mécanique néces- saire et, en même temps, l'obtention dtune résistance thermique totale de ces blocs et de la couche d'étanchéité 4 comprise entre 0,0086 et 0,0774 m. m2. -C/W, ou 0,1 et 0,09 m2.heure.degré/kcal. Ces limites ont été justifiées par des études expérimentales effectuées sur un four industriel pour minerais et par le calcul, à l'aide d'un ordinateur, des champs de température, des flux thermiques et des épaisseurs des couches de garnissage dans les cuves de fours électriques .Comme l'ont démontré les résultats de ces études, lorsque la somme de la résistance thermique des blocs réfractaires graphitiques 8 et de la couche d'étanchéité 4 dépasse 0,0774 m2. C/W, ou 0,09 m2. heure degré/kcal, quelle que soit l'intensité du refroidissement de l'enveloppe métallique 3 et meme à despuissances spécifiques relativement faibles du four électrique, les parois de sa cuve ne se couvrent pas d'une couche de garnissage suffisante pour protéger d'une façon stre le revêtement de la cuve contre l'action corrosive du bain acide de laitier fondu.D'autre part, quand la résistance thermique totale des blocs réfractaires graphitioues 8 et de la ouche d'étanchéité 4 est inférieure à 0,0086 m222/W, ou 0,01 m2 . heure . degré/kcal, la couche de garnissage devient si épaisse quelle contribue à la formation d > écha- fauds qui rendent plus difficile le perçage des trous 6 de coulée du laitier et réduisant sensiblement le volume de l'espace de fusion. L'épaisseur des blocs de charbon réfractaires 9 est déterminée comme d'habitude de manière àassurer leur résistance mécanique nécessaire et une bonne isolation thennique. Ces conditions sont réalisées de façon satisfaisante avec des épaisseurs des blocs réfractaires 9 se situant entre 0,9 et 1,5 fois le diamètre de l'électrode du four électrique.Pour réaliser la couche d5étanchéité 4, on peut faire appel à tout matériau convenable, par exemple à une charge de chamotte ou à une.maçonnerie en briques avec de l'amiante , Toutefois, pour diminuer la résistance thermique totale des parois 2 de la cuve du four-électrique, on préfère un matériau à conductibilité thermique plus élevée, par exem 'e une masse carbonée préparée en mélangeant 'me poudre au carbone avec un liant. L'épaisseur de la couche d'étanchéité 4 est choisie de manière à assurer l'étanchéité nécessaire entre ltenveloppe métallique 3 et le revêtement intérieur de la cuve. L'exécution décrite de la cuve de four électrique conforme à l'invention, ainsi que les résultats obtenus grâce à son utilisation, sont illustrés par les exemples concrets mais non limitatifs décrits ci-dessous. Exemple 1 L'invention a été réalisée dans un four électrique destiné à l'élaboration, expérimentale ou industrielle, de fPrronickel à partir de minerais de nickel oxydés ; ce four avait une puissance installée de 9 MW, une superficie de la sole de 20 m2 et était équipé de trois électrodes de 0,5 m de diamètre. En dessous de la zone du laitier fondu, le revêtement de la cuve de ce four électrique se composait de blocs de charbon 9 qui avaient une conductibilité thermique de 5,815 W/m.OC, ou 5 kcal/m heure .degré et une épaisseur de 0,5 m, c'est-à-dire égale au diamètre d'une électrode. Au-dessus des blocs de charbon 9, dans la zone du laitier fondu, les parois 2 étaient constituées de blocs graphitiques 8 d'une épaisseur de 0,4 m, soit 0,8 du diamètre d'une électrode, et dont la conductibilité thermique était de 29Z075 W/m.OC, ou 25 kcal/m . heure .degré. La couche d'étanchéité 4 entre le revêtement et l'enveloppe 3 était en poudre de chamotte. L'épaisseur de cette couche 4 était de 0,08 m, et sa conductibilité thermique, de 1,28 W/m,OC, ou 1,1 kcal/m.heure degré. La résistance thermique totale des blocs graphitiques 8 et de la couche d'étanchéité 4 était égale à 0,0765 m2.OC/W, out,089 m2.heure.degré/kcal. La partie supérieure disparais 2 stétendrlt jusqu'au niveau de la voûte était en briques alumineuses 10 d'épaisseur égale à celle des blocs graphitiques 8. Les essais ont duré 6 mois, pendant lesquels ce four électrique a fonctionné à des puissances spécifiques comprlsses entre lr5 et 350 kW/m2, Le four a fonctionné à un régime technologique normal, dans les conditions ordinaires de quantité de travail et de temps nécessaires pour chaque coulée de laitier. Pendant les essais, on a procédé une fois par mois à une coulée complète des produits de fusion et à un examen de l'état du revêtement, On a ainsi pu constater la formation d'une couche de garnissage stable, de 5 à 12 mm d'épaisseur, ainsi que l'absence d'échafauds. Exemple 2. Les essais ont été effectués dans un four identique à celui de l'exemple 1. Toutefois, l'épaisseur des blocs graphitiques 8 avait été diminuée jusqu'à 0,12 m, et la couche d'étanchéité 4 était constituée d'une masse carbonée et avait une épaisseur de 0,02 m. Cette masse avait été préparée à partir de 85 % en poids de graphite émietté provenant de déchets de la production de graphite et ayant une grosseur de 0,5 à 3 mm, et de 15 % en poids d'huile anthracénique. La conductibilité thermique-de ladite masse était égale à 3,49 W/m. C, ou 3 kcal/m.heure.degré. La résistance thermique totale de ces blocs graphitiques ré XraDtaires 8 et de cette couche d'étanchéité 4 était de 0,00946m. C/W, ou 0,011 m .heure .degré/kcal. Les essais de ce four, aux puissances spécifiques entre 175 et 350 kW/m2, ont duré 6 mois, tout comme dans exemple 1. Le four a fonctionné > un régime technologique normal, dans les conditions ordinaires d quantité de travail et de temps pour les opérations d coulée du laitier. Lors des visites du revêtement, on a pu constater l'apparition d'une couche stable de garnissage d'une épaisseur de 25 à 30 mm. On a constate la présence d'échafauds à l'étape initiale de leur formation. Exemple 3, L'invention a été réalisée dals un four électrique industriel ayant une puissance installée de 48 MVA, une aire de la sole de 200 m2, et equipe de six électrodes de 1,2 m de diamètre. Le four était destiné à l'élaboration de ferronickel. Le revêtement intérieur de la cuve de ce four électrique se composait de blocs réfractaires carbonés. La sole 1 et les parois 2, jusqu'à un niveau de 0,6 m,c'est-à-dire égal à la moitié du diamètre d'une électrode et correspondant à la hauteur du bain-de laitier fondu, étaient constituées de blocs de charbon 9 d'une épaisseur de 0,6 m, c'est-à-dire égale à 1,33 fois le diamètre d'une électrode, et d'une conductibilité thermique de 5,815 W/m. C, ou 5 kcal/m.heure.degré. Au-dessus des blocs de charbon 9, dans la zone dulaitier fondu constituant 1,8 m, soit 1,5 fois le diamètre d'une électrode, les parois 2 étaient constituées de blocs graphitiques 8 d'une épaisseur de 0,55 m et d'une conductibilité thermique de 29,075 W/m. C, ou 25 kcal/m heure .degré.La couched'étanchéité 4 entre le revêtement et ltenveloppe 2 était constituée par une masse carbonée, la même que celle de 11 exemple 2, d'une conductibilité thermique de 3,49 W/m. C, ou 3 kcal/m.heureodegré ; ladite couche avait une épaisseur de 0,1 m, La résistance thermique totale des blocs graphitiques 8 et de la couche 2 d'étanchéité 4 était égale à O,0473 m2. C/W, ou 0,055 ni heure .degré/koal. En dessus des blocs graphitiques 8 et jusqu'à la volte du revêtement, la paroi 2 était en briques alumineuses 10 de même épaisseur que celle des blocs graphitiques 8. Le four électrique utilisant une telle cuve a fonction né de façon stable pendant quatre ans avec des puissances spécifiques de 180 à 220 kW/m2, sans nécessiter de réparations de son revêtement. La couche de garnissage dans la zone du laitier fondu était d'environ 20 nini. Comme cela ressort clairement de la description détaillée de l'invention, son application aux cuves de fours électriques soumises à l 'action de laitiers en fusion permet la formation, sur les parois du revêtement intérieur de la cuve, dtune couche de garnissage dont l'épaisseur suffit à protéger le revêtement contre l'action cGrrosive des bains de laitier fondu. Cette couche se forme d'une manière stable à des puissances spécifiques élevées des fours électriques, ce qui permet d'accroitre la puis- sance des fours électriques et par conséquent leur rendement. Par ailleurs, la description détaillée de l'invention montre que la cuve de four électrique selon la présente invention est d'une structure relativement simple et ne se distingue pas notablement , de ce point de vue, des cuves ordinaires des fours électriques,fonctionnant sans moyens de refroidissement. Ceci facilite ses réparations, réduit la quantité de travail et le temps nécessaires à de telles réparations. R E V E N D I C A T I O N Cuve de four électrique pour cierais, du type dans lequel la fusion est réalisée avec des électrodes plongées dans le laitier fondu, et qui comprend un revêtement intérieur composé de blocs de carbone réfractaires, une enveloppe métallique avec des moyens de refroidissement extérieur, et une couche dtétanchéité entre ladite enveloppe et ledit revêtement, caractérisée en ce que les parois (2) du revêtement intérieur de la cuve sont constituées, dans la zone du laitier fondu, par des blocs réfractaires graphitiques (8) d'épaisseur telle que la résistance thermique totale de ces blocs (8) et de la couche d'étanchéité (4) se trouve entre 0,0086 et 0,0774m. C/W,tandis qu'en dessous de la zone du laitier fondu, las parois (2) et la sole (î) du revêtement sont constituées de blocs de charbon (9).