Brevet FR2541440A1 — publié le 19840824

La présente invention concerne un procédé de re- chargement d'une structure réfractaire siliceuse dans une ambiance de travail dont la température est supérieure à 600 C. Le terme "siliceux" est employé ici dans le sens utilisé dans la British Standard 3446 selon laquelle un "réfractaire siliceux" est une matière réfractaire qui, à l'état cuit, ne contient pas moins de 92 % en poids de Si O 2. Les principaux usages de réfractaires siliceux se trouvent dans les fours métallurgiques, les fours à coke, les cornues à gaz et les fours à bassin de verrerie. On peut utiliser l'invention pour modifier une struc- ture existante, par exemple pour ajouter un mur ou un conduit d'évacua- tion de gaz bralés, ou pour tout autre usage, mais on pense actuelle- ment que la principale utilisation pratique de la présente invention réside dans le domaine de la réparation de structures endommagéêes, et la présente description sera dès lors dirigée principalement vers l'uti- lisation de l'invention à cette fin. Les structures en réfractaire siliceux se détèrio- rent pour l'une ou l'autre raison au cours du temps, et nécessitent des réparations en conséquence Les fours de grande dimension mettent plusieurs jours à refroidir de leur température de travail à la tempéra- ture ambiante, et ils nécessitent un temps aussi long pour leur réchauf- fage parce que le dioxyde de silicium présent dans leur structure sous forme de cristobalite et de tridymite est extrêmement sensible au choc thermique à des températures comprises entre 20 'C et 600 'C. En particulier, la cristobalite se caractérise par une inversion cristal- line, généralement entre 200 'C et 250 'C, qui s'accompagne d'un change- ment de longueur d'environ 1 %. Il est dès lors souhaitable de pouvoir effectuer toute réparation indispensable pendant que la structure réfractaire siliceuse est chaude Malheureusement, la sensibilité au choc thermique des briques réfractaires siliceuses traditionnelles empêche leur emploi dans le travail de réparation à chaud, à moins qu'elles n' aient été préchauf- fées On notera que ce préchauffage prend également un certain temps. On comprendra qu'il est nécessaire qu'un mur en réfractaire siliceux doit être réparé avec un réfractaire siliceux et non avec une autre matière, afin de respecter la compatibilité, entre autres, des coefficients de dilatation et de la conductibilité thermique entre la réparation et la maçonnerie originale. Les réparations à chaud ont été dans le passé 3 exécutées suivant deux systèmes distincts Dans un de ces systèmes, on utilise des briques de silice vitreuse La silice vitreuse a un très faible coefficient de dilatation thermique, de sorte que ces briques, à la température ambiante, peuvent être transférées immédiatement sur le lieu de la réparation à chaud sans risque substantiel de rupture due au io choc thermique Les briques sont déposées et leurs interstices sont remplis de matière réfractaire granulaire pour les maintenir en place. La dilatation thermique des briques, qui se produit ultérieurement, comprime les granules de remplissage Malheureuse- ment, les réparations selon ce système ne sont pas de très haute qualité, puisque les interstices entre les briques de silice vitreuse ne soet paso étanches Ce caractère revêt une importance considérable dans le cas de fours à coke en raison des compositions différentes des gaz à l'inté- rieur et à l'extérieur de ces fours et est aussi important lorsqu'on répare la voûte d'un four de fusion de verre Toute flamme qui pénètre dans un interstice de la voûte d'un tel four érodera rapidement la matière environnante, de sorte qu'une nouvelle réparation est souvent rapidement nécessaire. Dans l'autre de ces systèmes, un mélange de par- ticules finement divisées de matière oxydable exothermiquement et de particules de matière réfractaire est projeté contre une surface et brûlé pendant cette projection de manière à former, sous l'influence de la chaleur dégagée par la combustion, une masse réfractaire cohérente sur cette surface Des exemples particulaires de tels procédés sont décrits dans le brevet britannique 1 330 984 au nom de Glaverbel et dans la demande de brevet britannique nô 82 33 319 (publication né GB Z 110 200 A) du même déposant De tels procédés peuvent conduire a des réparations très efficaces, mais le débit de rechargement en nouvelle matière n'est pas élevé, et lorsqu'on utilise du silicium comme matière oxydable exothermiquement (ainsi qu'on le recommande ou qu'on l'exige dans ces descriptions) le procédé est assez onéreux, spécialement pour des réparations de dimensions relativement importantes. 2541 440 La présente invention est basée sur une apprécia- tion du fait que, contrairement à ce que l'on pourrait attendre, ces deux systèmes connus peuvent être modifiés et combinés pour obtenir une réparation ou un autre rechargement rapide, relativement bon marché et très efficace d'une structure réfractaire siliceuse. La présente invention fournit un procédé de rèchar- gement d'une structure réfractaire siliceuse dans une ambiance de tra- vail dont la température est supérieure à 600 'C, caractérisé en ce que ce rechargement est réalisé au moyen d'au moins une brique de silice vitreuse qui est fixée en place par projection d'un mélange comprenant des particules finement divisées de matière oxydable exothermiquement et des particules d'une matière réfractaire siliceuse incombustible et par combustion du mélange pendant sa projection, pour former une masse réfractaire cohérente qui réalise cette fixation. L'application de la présente invention a pour résul- tat une réparation économique et efficace d'une structure réfractaire siliceuse Du fait que la réparation est effectuée à température élevée, les temps de refroidissement et de réchauffage sont réduits et peuvent même être éliminés si la réparation est effectuée substantiellement à la température de travail de la structure, ainsi qu'on le préfère spéciale- ment La durée totale pendant laquelle la structure est hors d'usage est dès lors réduite par rapport à celle d'un rebriquetage à basse tempéra- ture ou à température ambiante De plus, tout danger qu'une maonnerie existante, ne nécessitant pas de réparation, soit endommagée par le refroidissement à une telle température basse ou ambiante (ou par le réchauffage à la température de travail) est fortement réduit et peut être éliminé Le délai de l'opération effective de réparation est lui- même aussi réduit par rapport à celui d'une réparation constituée entiè- rement par la formation in situ d'une masse réfractaire, ainsi qu'on l'a cité ci-dessus Les briques de silice vitreuse sont également moins chères que les matières premières souvent utilisées dans de telles techniques. La maçonnerie de silice vitreuse ajoutée est fixée en position par une masse réfractaire siliceuse cohérente formée in situ. Une telle fixation permet aisément de former des joints substantiellement hermétiques entre les briques de silice vitreuse et la structure avoisinante. 2541 440 La silice vitreuse, qui peut être et de préférence est sous forme d'une masse cohérente de granules de silice vitreuse, a un faible coéfficient de dilatation thermique et n'est dès lors pas sen- sible au choc thermique lorsqu'elle est chauffée La réparation ou tout autre rechargement de la structure peut simplement être effectué en plaçant des briques de silice vitreuse qui sont à température ambiante, à l'emplacement de la réparation ou du rechargement, qui est à tem- pérature élevée, et en les fixant en place Après quelques jours d'expo- sition continue à température élevée, on a observé que les briques de silice vitreuse cristallisent progressivement en silice de la forme tridy- mite et cristobalite pour atteindre la même structure que celle des bri- ques réfractaires de silice ordinaires dont elles ont, dès lors, les mêmes propriétés physiques Il est surprenant que la masse réfractai- re siliceuse formée in situ réalise une liaison efficace non seulement avec la structure originale de réfractaire siliceux mais aussi avec la maçonnerie de silice vitreuse ajoutée, et aussi que la liaison avec la maçonnerie de silice vitreuse restera efficace pendant et après la trans- formation de la maçonnerie siliceuse ajoutée de sa forme vitreuse vers sa forme crsitalline. Avantageusement, la maçonnerie de silice vitreuse est substantiellement entièrement recouverte d'une masse réfractaire cohérente. De préférence, la ou chaque brique de silice vitreu- se est conformée et orientée de manière qu'une de ses faces sur laquelle on projette le mélange à la flamme présente des bords chanfrénés Les bords chanfrénés de briques adjacentes donnent dès lors naissance à des rainures dans lesquelles la masse réfractaire est projetée à la flamme. Ceci favorise la liaison entre les briques adjacentes et fournit un accro- chage pour le recouvrement, s'il est présent. Ainsi qu'on l'a établi précédemment, on pense que l'invention offre des avantages particuliers lorsque le rechargement est effectué pour réparer la structure originale. On préfère qu'au moins la majeure partie en poids des particules finement divisées de matière oxydable est constituée de particules de silicium Ceci accroît la teneur en dioxyde de silicium de la masse réfractaire formée in situ. Dans certaines formes préférées de réalisation de l'invention, les particules finement divisées de matière oxydable com- prennent des particules d'aluminium en quantité ne dépassant pas 4 % en poids du mélange L'utilisation de particules d'aluminium favorise la libération de chaleur pendant la combustion du mélange projeté. En limitant à 4 % la teneur en aluminium du mélange, la teneur en oxyde d'aluminium de la masse réfractaire résultante due à la combus- tion de cet aluminium est maintenue en-dessous de 8 % de manière à pouvoir former une masse réfractaire siliceuse si les autres particules projetées sont en silicium et en dioxyde de silicium. Certaines formes préférées de réalisation de l'in- vention seront maintenant déc 7 rites à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1 à 3 sont respectivement des vues de bout, latérale et en plan d'une brique de silice vitreuse destinée à être utilisée dans un procédé selon l'invention, et La figure 4 représente une section transversale d'un mur en réfractaire siliceux réparé selon l'invention. Dans les figures 1 à 3 des dessins, une brique de silice vitreuse désignée globalement par 1 est de section générale carrée. Les bords 2 de la face avant 3 de la brique sont chanfrénés de manière à former des fentes (représentées en 4 dans la figure 4) lorsque de telles briques sont empilées L'extrémité arrière 5 de la brique 1 a un profil en escalier de manière à fournir un accrochage pour favoriser l'empilage en registre vertical A nouveau, voyez figure 4. La figure 4 représente un mur endommagé 6 de réfractaire siliceux qui a été réparé en enlevant la matière réfractaire endommagée en laissant un trou 7 entouré de bonne maçonnerie origi- nale et en rebriquetant ensuite le trou 7 au moyen de briques de silice vitreuse 1 telles qu'illustrées aux figures 1 à 3 Ce procédé est effectué substantiellement à la température de travail de l'installation dont fait partie le mur 6. Après rebriquetage, les briques 1 de silice vitreuse sont recouvertes d'une masse réfractaire 9 formée in situ par une technique connue de projection à la flamme. Dans un exemple pratique spécifique, un mur d'un four à coke formé de briques réfractaires de silice principalement sous forme de tridymite est rebriqueté au moyen de briques de silice vitreuse à une température de 1 150 C Toute la maçonnerie défectueuse est enlevée et la surface à réparer est nettoyée Les briques de silice vitreuse nécessaires sont placées sans préchauffage à la base de ce mur. Les briques sont ensuite montées en place couche par couche, en fixant chaque couche avant la pose de la suivante par une technique de projec- tion à la flamme Après rebriquetage complet, la surface rebriquetée est recouverte de réfractaire par la mame technique de projection à la flamme. On obtient ainsi une réparation de haute qualité rapidement et à peu de frais. Après séjour pendant quelques jours des briques de silice vitreuse dans le four à coke, on constate qu'elles ont cristallisé et adopté une structure interne très similaire à celle de la maçonnerie originale. Les compositions des briques vitreuses, cristalli- sées et originales sont données ci-dessous (parties en poids) Maçonnerie Silice vitreuse Silice cristallisée Réfractaire siliceux original Si O 2 92 00 94 85 95 00 Ca O 4 12 4 25 2 80 Mg O O 10 O 10 A 12 03 O 38 O 39 O 80 Fe 2 03 0 24 0 25 0 80 Na 2 O 0 06 0 06 0 05 K 20 O 0 07 0 07 0 05 Ti Oz 0 03 0 03 0 50 Perte au feu 3 00. La fixation l'une A l'autre et le recouvrerment des briques de silice vitreuse sont effectués par projection d'un mélange constitué au départ de 87 % cde dioxyde de silicium, de 12 % de silicium et de 1 % d'aluminium (en poids) ce mélange étant débité à raison de 1 kg/minute dans 200 I/minute (normal) d'oxygène Le dioxyde de sili- cium utilisé est constitué de 3 parties de cristobalite et de 2 parties de tridymite (en poids) avec une granulométrie comprise entre 0, 1 et 2 mm Les particules de silicium et d'aluminium ont chacune une dimension moyenne de grain inférieure à 10)m, le silicium ayant une surface spécifique de 4 000 cm 2/g, et l'aluminium une surface spéci- fique de 6 000 cm 2/g La combustion-du silicium et de l'aluminium forme une masse réfractaire siliceuse cohérente qui se fixe à la sur- face réparée du mur. Afin de vérifier l'efficacité du procédé selon la présente invention dans des conditions choisies pour simuler celles existant dans un four,à coke, on construit deux murs dans les condi- tions établies dans l'exemple ci-dessus Un de ces murs est maintenu à 1 1500 C L'autre mur est soumis de façon répétitive à des chocs thermiques importants en y appliquant dix fois une chemise d'eau et en le réchauffant à 1 150 'C A la fin de l'essai, on examine les deux murs et on ne trouve aucune différence entre eux. REVENDICATIONS 1 Procédé de rechargement d'une structure réfractaire siliceuse dans une ambiance de travail dont la température est supérieure à 600 'C caractérisé en ce que ce rechargement est réalisé au moyen d'au moins une brique de silice vitreuse qui est fixée en place par projection d'un mélange comprenant des particules finement divisées de matière oxydable exothermiquement et des particules d'une matière réfractaire siliceuse incombustible et par combustion du mélange pendant sa projection, pour former une masse réfractaire cohérente qui réalise cette fixation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette maçonnerie de silice vitreuse est substantiellement entièrement recouverte d'une telle masse réfractaire cohérente. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins une brique de silice vitreuse est confor- mée et orientée de manière qu'une de ses faces sur laquelle on forme la masse réfractaire cohérente présente des bords chanfrénés. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ce rechargement est effectué pour réparer la struc- ture originale. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins la majeure partie en poids des particules finement divisées de matière oxydable est constituée de particules de silicium. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les particules finement divisées de matière oxy- dable comprennent des particules d'aluminium en quantité ne dépassant pa.s 4 % en poids du mélange.