Brevet FR2527636A1 — publié le 19831202

-1- IER RENRMIRE DE Yt ULAGE RESISTAN A L'ABRASION ET A IA DEFOMATICN A TRES HAUTE TEMPERAITURE EN AMSPHERE IENAW DES OXDES DE SCUFRE L'acier réfractaire, qui fait l'objet de l'invention, est un acier de moulage de structture austénitique, qui concerne l'ensemble des applica- tions dans lesquelles on recherche une très bonne tenue à l'oxydation très haute tepérature pendant de très longues durées pouvant dépas- ser 10 000 heures, combinée avec une grande résistance à la déforma- tion par fluage, uner grande résistanoe à l'abrasion et une grande stabilité thenmiqpe. L'acier suivant l'invention s'applique, en particulier, à la réalisa- ticn de pièces de fours telles que des soles fixes ou mobiles ou d'au- tres dispositifs pour'fours ou tous autres appareils thermiques qui sont portés pendant de très longues durées a des températures de 800 a 12 M 00 C en atmosphère oxydante et qui sont soumis a l'action abra- sive de matières solides portées à des températures qui dépassent sou- vent 1000 C et peuvent atteindre jusqu'à 1400 C. L'invention concerne égalaeent l'application de cet acier réfractaire de moulage à la réalisation de grilles ou d'éléments de grilles fixes ou mobiles, utilisés dans des dispositifs de transfert de chaleur entre iune phase solide, sous forme de particules ou de grains, portée à très haute température et une phase gazeuse qu'on se propose de préchauffer par cantact avec ladite phase solide. L'acier de rmoulage suivant l'invention s'applique de façon particulié- revent satisfaisante à la réalisation d'éléments de grilles fixes ou mobiles utilisés pour la réception, le refroidissement et l'évacuation du clinker au sortir des fours tournants de cimenterie Il est bien connu de l'homme de l'art que les grains de clinker qui tombent, après cuisson, de l'orifice d'extrémité d'un four tournant de cimenterie sont à une température de l'ordre de 1200 à i 400 C environ Ces grains, en général d'un diamètre de 1 à 3 cm, tcnbent sur des élements de grille disposes dans un couloir d'évacuation le plus souvent horizontal Ces éléments de grille sont alternativerent fixes et mobiles Les éléments -2- mobiles sont animés d'un rouveent alternatif et, grâce à une forme adaptée, provoquent un déplacement en translation des grains, le long du couloir d'évacuation De l'air est injecté de bas en haut à travers les grilles et parcourt le couloir en sens inverse du clinker Il s'échauffe au contact de celui-ci et pénètre, ensuite, dans le four o il permet la combustion du combustible utilisé, qui est le plus sou- vent un hydrocarbure liquide ou gazeux, ou du charbon pulvérisé, ou encore un mélange de ces deux types de combustibles. Cn utilise, de préférence, pour la réalisation de ces éléments de grilles, des aciers réfractaires au Cr Ni, dont les teneurs en Cr et Ni sont ajustées en fonction de la tm rature à laquelle ils sont por- tés dans les conditions d'utilisation C'est ainsi que, dans les zones les plus chaudes, c'est-à dire celles o les éléments de grille reçoi- vent directement sur leur face supérieure les grains de clinker qui tombent du four à une température de 1200 -à 1400 C, il est recommandé d'utiliser des aciers réfractaires de rmoulage austénitiques tels que l'acier Z 40 CNW 25-20 (norme AFNR) qui contient environ en % en masse: C 0,40; Cr 25; Ni 20; W 2,75 Un tel acier présente, d'une part, une grande dureté à chaud à cause de sa haute teneur en carbure de chrome, une excellente résistance à l'oxydation à haute température dûe à ses teneurs élevées en Cr et Ni et enfin, une grande résistance au fluage à haute température graâce à sa teneur en W. Cependant,, en dehors du prix très élevé de cet acier dû à sa haute teneur en Ni et à l'addition de W, cet acier ne donne pas entièrement satisfaction pour une telle utilisation L'expérience a montré, en effet, qu'il résiste rmal à l'abrasion à chaud due au frottement du clinker sur la surface des éléments de grille, et qu'il présente aussi une certaine tendance à la fragilisation au cours des maintiens prolon- gés à très haute températbre Il convient de remarquer que les éléments de grilles utilisés dans les fours de cimenterie sont soumis à des con- ditions thermiques particulièrement sévères En effet, leur surface supérieure entre en contact avec les grains de clinker portés à une température de l'ordre de 1000 à 14 C 00 C, tandis que leur surface infé- rieure est en contact avec un courant d'air dont la température initia- le est voisine de l'am biante En cours d'utilisation, il se produit -3- donc au sein de cs grilles des tensions importantes dues aux diffé- rences de t -ratures On doit noter également que, bien souvent, une fraction des gaz de combustion, relativement riches en oxydes de sou- fre, entre en contact avec la surface supérieure des grilles Ces oxy- des de soufre tendnt à attaquer la surface de celles-ci et cette at- taque est facilitée par la haute teneur en nickel Enfin, malgré cette haute teneur en nickel, il est possible que la fragilisation observée, dans certains cas, résulte de la formation de très petites quantités de phase Cr dans des zones localisées des élements de grilles qui se trvent portées à des températures de l'ordre de 750 à 850 C. On a donc recherché la possibilité de réaliser un acier réfractaire de moulage présentant une résistance à l'oxydation comparable à celle du Z 40 CNW 25-20 et une résistance au fluage coeparable, mais qui aurait une meilleure tenue à l'abrasion, une meilleure résistance aux atmosphères contenant des oxydes de soufre et qui, enfin, ne serait pas fragilisé par les maintiens de très longue durée dans tout le do- maine de températures compris entre 750 et 1100 C. Le xnouvel acier réfractaire de moulage, qui fait l'objet de l'inven- tion, contient en % en masse: C: 0,30 à 0,70 Cr: 24 à 29 Ni: 11 à 15 Ma: 7 a 11 Si: 1 à 2 Un domaine de cozposition préférentiel de l'acier suivant l'invention est le suivant en % en masse C: 0,4 a 0,6 Cr: 25 à 27 Ni: 12 à 14 Mn: 8 à 10 Si: 1,3 à 1,8 Cet acier peut, par ailleurs, contenir Ai N -4- Les essais effectués ont montré que l'introduction d'une teneur en Mn, de 7 à 11 %, de préférence comprise entre 8 et 10 %, permettait de li- miter la teneur en Ni, tout en donnant à l'alliage une très bonne ré- sistance au fluage à haute taepérature L'effet le plus iortant de cette addition de manganèse est l'amélioration remarquable de la tenue de cet acier à la corrosion à haute température, par rapport aux au- tres aciers réfractaires austénitiazes à haute teneur en Ni, dans les atmosphères contenant des oxydes de soufre tels que SO 2 On constate également que la substitution d'une partie du nickel par du manganèse améliore de façon très notable la résistance à la fragilisation au cours du maintien à très haute tem Rpérature pendant des durées qui peu- vent atteindre 10 000 heures et bien davantage Cette résistance à la fragilisation est dûe à la très grande stabilité conférée à l'acier suivant l'invention par ses hautes teneurs en Ni + Mn Enfin, l'acier suivant l'invention présente une résistance à l'abrasion élevée cor- parable à celle d'un acier du type Z 40 CNW 25-20. Ce ensemble de propriétés de l'acier réfractaire de moulage suivant l'invention le rend particulièrexmrent apte à la réalisation de pièces Imulées destinées à être utilisées à haute teirpérature dans des atmos- phères oxydantes et pouvant contenir des oxydes de soufre Cet acier convient particulièrement bien pour la réalisation de pièces pour sô- les mobiles de fours de traitement à haute te;érature, grâce à sa ré- sistance à la déformation à haute température, à son absence de fragi- lité et à sa résistance à l'usure. Enfin, grâce à son ensemble de propriétés et, plus particulièrement, graâce à sa résistance à l'abrasion à chaud, à l'oxydation par les at- mosiphères contenant des oxydes de soufre et à son absence de fragilité, l'acier de roulage suivant l'invention convient tout spécialement à la réalisation des éléments de grilles fixes ou mobiles utilisés dans les dispositifs de transfert de chaleur entre une phase solide divisée et une phase fluide La phase solide peut être constituée par des parti- cules ou des grains portés à très haute température La phase fluide est, le plus souvent, un gaz tel que l'air qui est préchauffé par con- tact avec cette phase solide On peut ainsi réaliser au tmoyen de l'acier suivant l'invention, les éléments de grilles fixes ou mobiles des dispositifs de refroidissement et d'évacuation des clinkers des fours tournants de cimenterie Ces éléments de grilles,réalisés par roulage à partir de l'acier réfractaire suivant l'invention, présen- tent un ensemble de performances et, essentiellement, une durée de vie nettement supérieures à celles des éléments de grilles réalisés au moyen d'aciers réfractaires beaucoup plus ooûteux tel que l'acier Z 40 CNW 25-20. De très rnrbreuses autres applications de l'acier réfractaire de noula- ge suivantu l'invention sont possibles Cet acier s'applique, en effet, a la réalisation de pièces moulées qui peuvent être utilisées jusqu'à des températures atteignant 1200 C et nme davantage Sa très grande stabilité à chaud permet de l'utiliser dans toutes les applications qui nécessitent des mintiens de très longue durée en température Son absence de fragilité lui permet aussi de supporter sans fissuration les contraintes créées par les chocs thermiques, les gradients thermiques ou le cyclage thermique. -6- REVENDICATIONS 1 / Acier réfractaire de ioulage caractérisé en ce qu'il contient % en masse: C: 0,30 à 0,70 Cr: 24 à 29 Ni: 11 à 15 Mn: 7 à 11 il Si: 1 à 2 / Acier réfractaire de moulage suivant revendication 1, caracté- risé en ce qu'il contient en % en masse: C: 0,40 à 0,60 Cr: 25 à 27 - Ni: 12 à 14 - Mn: 8 à 10 Si: 1,3 à 1,8 A 1 È S P N 0,20 et autres impuretés inévitabhles. 3 / Application de l'acier réfractaire de rmoulage suivant revendica- tion 1 ou 2, à la réalisation de piècesutili'sesà des températures de 800 à 1200 C C. 4 / Application suivant revendication 3, caractérisÉeen ce que les pièces sont des éléments de soles fixes ou mobiles, ou d'autres appa- reils thermiques. / Application suivant revendication 3, caractériseen ce que les pièces sont des éléments de grilles fixes ou mobiles utilisés pour des dispositifs de transfert de chaleur entre une phase solide et une phase gazeuse. 6 / Application suivant revendication 5, caractérisée en ce que les pièces sont des éléments de grilles fixes ou robiles utilisés pour la 2 D 27636 -7- réception, le refroidissextent et l' évacuation des clinkers au sortir des fours tournants de cimoenterie.