Brevet FR2549743A1 — publié le 19850201

La présente invention concerne une lance de projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particules de matière réfractaire et d'un gaz comburant L'invention s'étend à un dispositif comprenant une telle lance et à un procédé de pro5 jection utilisant une telle lance. De telles lances sont utiles entre autres dans la mise en oeuvre de procédés de projection pour former in situ des masses réfractaires par exemple au moyen du dispositif décrit dans le brevet britannique 1 330 895. Dans de tels procédés, un mélange de particules formatrices de réfractaire et de particules réfractaires est projeté contre une surface dans un courant de gaz contenant de l'oxygène Des exemples de particules réfractaires cités sont des particules de silice, d'alumine, de zircon, de zircone et de mragnésie et des mélanges de deux ou 15 plusieurs de ces matières Des exemples de matières formatrices de réfractaire sont des particules de silicium, d'aluminium, de zirconium et de magnésium, et des mélanges de deux ou plusieurs de ces matières. Les particules formatrices de réfractaire réagissent exothermiquemnent en présence d'oxygène en formant une matière réfractaire correspondante 20 et en dégageant de la chaleur de manière à fondre au moins superficiellernent les particules réfractaires qui sont projetées en même temps, de sorte qu'une masse réfractaire cohérente se forme. De tels procédés sont particulièrement appropriés à la réparation à chaud de fours et d'autres équipements réfractaires et sont particulièrement avantageux lorsque le rebriquetage à chaud présente des problèmes irrlportants On notera cependant qu'il est souhaitable que chacune de ces réparations soit accomplie aussi rapidement que possible de manière à minimiser le temps mort de l'installation que l'on répare On a trouvé que, lorsqu'on utilise un équipement connu de pro30 jection à la flamme pour former une masse réfractaire, le taux de formation d'une masse cohérente de qualité satisfaisante est limité Ceci est particulièrement désavantageux lorsqu'un volume de réparation important est nécessaire. Un des objets de la présente invention est de fournir 35 un dispositif qui permet la formation plus rapide d'une masse réfractaire. Z La présente invention fournit une lance de projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particules de matière réfractaire et d'un gaz comburant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un conduit d'alimentation destiné à ache5 miner de la matière à projeter vers une tete de lance qui comprend plusieurs ajutages pour projeter une telle matière, en ce que le parcours d'écoulement de la matière à projeter se ramifie ou forme un coude, et en ce qu'une cavité en forme de godet est disposée à la ou chaque ramification ou coude, ouverte vers l'amont du parcours d'écoulement, 10 pour retenir des particules de la matière acheminée le long de ce parcours, de manière que la matière retenue forme elle-même une barrière contre l'abrasion à l'emplacement de cette cavité. L'invention s'étend à un procédé de projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particu15 les de matière réfractaire et d'un gaz comburant contre une surface pour former, par combustion, une masse réfractaire cohérente sur cette surface, caractérisé en ce que la projection est effectuée au moyen d'une lance pourvue d'au moins un conduit d'alimentation le long duquel la matière à projeter est acheminée vers une tête de lance d'o la matière est 20 éjectée par plusieurs ajutages, en ce que le parcours d'écoulement de la matière à projeter est ramifié ou forme un coude, et en ce qu'une cavité en forme de godet est disposée àlaou chaque ramification ou coude, ouverte vers l'amont du parcours d'écoulement pour retenir des particules de la matière acheminée le long de ce parcours de manière que la matière retenue forme elle-même une barrière contre l'abrasion à l'emplacement de cette cavité. Jusqu'à ce jour, les têtes de lance qu'on a généralement employées ont été pourvues d'un ajutage unique pou r l'éjection de la matière projetée Pour une dimension donnée de l'orifice de l'ajutage, 30 il y a un débit maximum d'éjection de matière, et dès lors une vitesse maximum de formation de masse réfractaire par projection Il serait évidemment possible d'augmenter le débit d'éjection de la matière projetée au moyen d'un ajutage plus grand Cependant, si la dimension de l'orifice de l'ajutage augmente au-delà d'une limite pratique, on a trouvé 35 que la matière éjectée ne forme plus un courant bien défini et la masse réfractaire formée est de qualité inférieure, le rendement de la réaction peut être réduit et, en fait, la réaction peut mnme s'arrêter. Nous avons trouvé que par l'utilisation de plusieurs ajutages, la matière projetée peut être éjectée selon des courants voisins bien définis, de sorte qu'il se forme une masse réfractaire cohé5 rente de haute qualité plus rapidement que jusqu'à présent. Cependant, à moins que la lance à plusieurs ajutages ne soit sirmplement un faisceau de lances droites, on notera que le parcours d'écoulement de la matière projetée doit se ramifier ou former un coude, et de ce fait, les particules de matière projetées frapperont la paroi du conduit d'écoulement à cet endroit On a déjà mentionné précédemrnent que des exemples de matières réfractaires à projeter au moyen de lances selon l'invention sont des particules de silice, d'alumine, de zircon, de zircone et de magnésie Il est bien connu que ces matières sont très abrasives, et en effet les techniques de sablage pour abraser 15 des surfaces sont bien connues On notera pour cette raison qu'il y a un risque très élevé d'abrasion à toute ramification ou déviation dans le parcours d'écoulement de la matière à projeter On a trouvé qu'en disposant une cavité en forme de godet à cette ramification ou déviation, ce risque peut être fortement réduit, parce que de la matière retenue dans 20 une telle cavité formera elle-même une barrière contre l'abrasion de la paroi du conduit à cet emplacement. Dans certaines formes préférées de réalisation de l'invention, la lance comprend au moins un conduit alimentant tous les ajutages de projection Cette disposition simplifie la construction de la 25 lance. Dans d'autres formes préférées de réalisation de l'invention, la lance comprend plusieurs conduits d'alimentation alimentant chacun un ajutage L'adoption de cette caractéristique présente des avantages en ce qui concerne le refroidissement des conduits d'ali30 mentation, ainsi qu'on le décrira ci-dessous. Avantageusement, les ajutages sont disposés hors d'alignement avec le ou un dit conduit d'alimentation et la tête de lance comprend une pièce en forme de godet alignée avec et ouverte vers le dit conduit d'alimentation L'adoption de cette caractéristique présente l'avantage de permettre la projection de particules de matière sur une surface plus grande qu'il ne serait possible autrement. Avantageusement, la tête de lance comprend des ajutages dont les extrémités sont espacées de manière différente du centre de la tête de lance Lorsque la matière projetée est éjectée par des ajutages dont les extrémités sont espacées de manière différente du 5 centre de la tête de lance, il est possible de projeter de la matière sur une portion relativement grande de la surface à réparer tout en s'assurant que les trajectoires des différents jets projetés sont substantiellernent de même longueur Ceci contribue à la formation d'une masse réfractaire cohérente de qualité uniforme. De préférence, les axes des ajutages sont substantiellement parallèles La projection de matière dans des jets dont les axes sont substantiellement parallèles est avantageuse dans la manière dont le dégagement de chaleur pendant la combustion est concentré et dans la manière dont la matière projetée forme une masse réfractaire cohé15 rente. Dans certaines formes préférées de réalisation de l'invention, les ajutages sont disposés de manière que leurs axes fassent un angle avec l'axe de la lance Par exemple, ces ajutages peuvent être à angle droit par rapport à l'axe de la lance De telles formes de réali20 sation sort utiles dans des circonstances o une réparation doit être effectuée dans une enceinte ayant une dimension moindre que la longueur de la lance, par exemple dans la réparation de l'intérieur d'une conduite. De préférence, la tête de lance est symétrique autour d'un axe passant par son centre, de sorte que la matière projetée est éjectée de la tête de lance selon des jets ayant un axe de symétrie commun. Dans les formes préférées de réalisation de l'invention, le corps de lance est pourvu d'une chemise de refroidissement et la lance est refroidie pendant la projection Ceci réduit le risque de retour de flamme et réduit également tout risque que des particules de matière projetée fondent ou ramollissent alors qu'elles se trouvent encore dans la lance, au point de colmater la tête de lance. De préférence, la chemise de refroidissement est une chemise de refroidissement à contre-courant et elle comprend de préférence au moins trois conduits de réfrigérant concentriques disposés de manière que le réfrigérant s'écoule dans des directions opposées dans des conduits voisins. De préférence, la tête de lance comprend au moins trois ajutages. La présente invention s'étend à un dispositif de pro5 jection comprenant une lance telle que décrite ci-dessus et des moyens pour alimenter en particules de matière, via un venturi, le ou chaque conduit d'alimentation le long duquel/desquels les particules de matière doivent être acheminées L'emploi d'un venturi de cette manière sur le ou chaque conduit évite le besoin de maintenir sous pression un réservoir 10 contenant les particules de matière, avec le gaz porteur utilisé pour les acheminer le long du ou d'un conduit d'alimentation et présente aussi. santage qu'à la sortie d'un tel réservoir, les particules de matière pe'vent être à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Ceci est important du point de vue sécurité en cas de retour de flamme. 15 De préférence, le dispositif est pourvu d'une trémie unique pour alimenter en particules de matière le ou chaque conduit d'alimentation, de sorte que la matière combustible et la matière réfractaire sont acheminées à la lance au départ d'une trémie commune Ceci simplifie le dispositif nécessaire. Pour des raisons de sécurité, on préfère que les particules réfractaires constituent au rmoins 80 % en poids des particules de nmatière projetées. Des forrnes préférées de réalisation de la présente invention seront maintenant décrites à titre d'exemple seulement en se 25 référant aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'une tête de lance à l'extrémité distale d'une lance, La figure 2 est une vue en élévation en bout de la tête de lance de la figure 1, Les figures 3 A et 3 B sont respectivement des vues en élévation latérale et en bout d'une seconde tête de lance, Les figures 4 A et 4 B sont respectivement des vues en élévation latérale et en bout d'une troisième t Ste de lance, La figure 5 est une vue en coupe d'une seconde lance, 35 et Les figures 6, 7 et 8 représentent des dispositions d'alimentation d'une lance en matière à projeter. A la figure 1, une lance I destinée à projeter des particules de matière combustible formatrice de réfractaire, des particules de matière réfractaire et un gaz comburant, comprend deux con5 duits d'alimentation Z, 3 pour amener de la matière à projeter à une tête de lance indiquée dans son ensemble par 4 La tête de lance 4 comprend plusieurs ajutages 5 pour projeter cette matière En fait, la tête de lance est pourvue de six de ces ajutages, ainsi que le représente la figure 2. Lors de la projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particules de matière réfractaire et d'un gaz comburant, on a trouvé que pour former une masse réfractaire de haute qualité, il est nécessaire que la combustion de la matière formatrice de réfractaire procède doucement et régulièrerrment. 15 Nous avons trouvé que l'emploi d'un ajutage constitué par une seule ouverture large milite contre ce désidératum, en raison de la turbulence qui apparaft à une zone limite entre le jet projeté et l'atmosphère environnante. Dans la disposition représentée, chacun des conduits 20 d'alimentation 2, 3 alimente tous les ajutages 5 via une chambre de mélange 6 dans la tête de lance 4. Les ajutages 5 sont disposés hors d'alignement avec les conduits d'alimentation 2, 3 de sorte que le parcours d'écoulement de la matière projetée se ramifie et de ce fait subit un changement de. 25 direction dans la tête de lance -Selon une caractéristique importante de l'invention, la tête de lance 4 comprend une cavité en formre de godet, constituée dans cette forme de réalisation, d'une pièce en forme de godet 7 alignée avec et ouverte vers un des conduits d'alimentation, en l'occurence le premier conduit d'alimentation 2 La pièce en forme de godet 7 est montée sur l'extrémité d'une colonne 8 qui est concentrique avec une seconde pièce en forme de godet 9 alignée avec et ouverte vers l'autre conduit d'alimentation indiqué en 3 L'effet de cette disposition est que lorsque des particules de matière sont d'abord acheminées à la tête de lance 4 le long d'un ou des deux conduit(s) d'alimentation 2 et 3, 35 cette matière sera collectée dans le(s) godet(s) respectif(s) aligné(s) sur le(s) conduit(s) d'alimentation, de sorte que de la matière arrivant ensuite frappera directement la matière collectée précédemment et ne frappera pas directement une partie de la tête de lance 4 La matière collectée forme un écran très efficace contre l'abrasion de la tête de lance par les particules de rnatière projetées. La lance 1 est pourvue de deux'conduits d'alimentation 2, 3 de sorte que la matière combustible formatrice de réfractaire peut être amenée à la tête de lance séparément d'une partie du gaz comburant en guise de mesure de sécurité, afin de réduire autant que possible le risque de retour de flamme Dans un procédé typique, les particules 10 de matière projetées comprennent jusqu'à 20 % en poids de matière combustible formatrice de réfractaire telle que du silicium et/ou de l'aluminium, le solde étant constitué de particules réfractaires. Dans un tel cas, les particules combustibles pourraient être acheminées le long du premier conduit central Z au moyen d'un mélange d'azote et 15 d'oxygène en guise de gaz porteur, par exemple de l'air, tandis que les particules réfractaires sont acheminées le long du second conduit extérieur 3 au moyen d'oxygène comme gaz porteur Dans une disposition alternative qui est également avantageuse au point de vue de la sécurité, toutes les particules pourraient 8 tre achemrninées sous forme de mélange Z 0 le long du conduit extérieur 3 dans un mélange d'azote et d'oxygène, tandis que de l'oxygène est amené le long du conduit central 2. Dans la forme de réalisation de tête de lance illustrée aux figures 1 et 2, ainsi qu'on le verra plus clairement à la figure 2, les six ajutages sont disposés selon un hexagone régulier dont le centre 25 se trouve sur l'axe de la lance et de sa tête. La forme de réalisation de tête de lance représentée aux figures 1 et 2 est spécifiquement conçue pour former, à une vitesse élevée, une masse réfractaire qui est concentrée sur une petite surface. Les figures 3 A et 3 B illustrent une tete de lance modi30 fiée pour projeter de la matière surune plus grande surface. Aux figures 3 A et 3 B, six tubes 10 sortent de la t Ste de lance 4 au lieu des ajutages 5 de la figure 1 Un connecteur en T 11 est fixé à chacun de ces tubes 10 par une extrémité de sa branche horizontale, de sorte que la branche verticale du T se projette radiale35 ment en direction opposée du centre de la face de la tête de lance. L'autre extrémité de la branche horizontale du connecteur T est fermée par un bouchon 12, de sorte qu'un trou borgne est formé dans cette branche horizontale A l'emploi, ce trou se remplira de particules de matière qui serviront de protection du bouchon 1 Z contre l'érosion par la matière projetée, de la même façon que la face extrême de la tête de lance est protégée par les pièces en forme de godet 7 et 9 représentées à la figure 1 Dans les branches verticales de connecteurs en T alternés sont vissés respectivement des conduits courts 13 et longs 14 Un ajutage est fixé à l'extrémité de chaque conduit 13, 14 au moyen d'un connecteur en T 16 de la même manière que les conduits sont connectés aux 10 tubes 10. Cette disposition permet de projeter de la matière dans la direction de l'axe de la lance sur une plus grande surface que la disposition représentée aux figures 1 et 2. Il est parfois souhaitable que de la matière soit pro15 jetée par des ajutages disposés de manière que leurs axes fassent un angle avec l'axe de la lance, par exemple pour la réparation de conduites ou d'autres passages étroits Une tête de lance conçue à cette fin est représentée aux figures 4 A et 4 B Dans ces figures, une tête de lance, à nouveau indiquée en 4, est pourvue d'une couronne de six tubes éjec20 teurs 10 Un connecteur en T 11 équipe un de ces tubes 10 de la même manière que celle décrite en se référant aux figures 3 A et 3 B, et ce connecteur à son tour porte un ajutage représenté en 17 Les autres tubes éjecteurs 10 portent des connecteurs droits 18 auxquels sont fixés des tubes d'extension 19 de différentes longueurs Un autre ajutage 17 Z 5 est fixé à l'extrémité de chaque tube d'extension 19 par un connecteur en T 11, à nouveau de la même manière que la connexion des tubes 13, 14 des figures 3 A et 3 B aux tubes 10. La figure 5 représente une forme de lance modifiée, en coupes longitudinale et transversale La lance Z 0 comprend un réseau hexagonal régulier de six conduits d'alimentation Z 1 maintenus par des ailettes 22 entre deux tubes concentriques 23, 24 Un troisième tube 25 entoure et est concentrique avec les deux tubes concentriques 23, 24, et, avec ces tubes, forme une chemise de refroidissement entourant le réseau de conduits d'alimentation 21 Une tubulure 26 d'admission de réfrigérant équipe l'extrémité proximale 27 de la lance 20 pour communiquer avec l'espace entre les deux premiers tubes concentriques 23, 24, de sorte que le réfrigérant, par exemple de l'eau, peut couler en contact direct avec les conduits d'alimentation 21 de l'extrémité proximale 27 de la lance vers son extrémité distale ou de tête Z 8 La disposition de l'extrémité de tête 28 de la lance est telle que le 5 réfrigérant peut retourner à l'extrémité proximale à contre-courant à l'intérieur du tube concentrique interne 23, vers une sortie de réfrigérant centrale 29, et entre les deux tubes concentriques externes 24, 25 vers une tubulure de sortie 30 Les extrémités de tête des conduits d'alimentation 21 peuvent être pourvus d'ajutages tels que décrits en se référant 10 aux figures 3 ou 4. La figure 6 représente un dispositif d'alimentation d'une lance en particules de matière à projeter, par exemple la lance 1 illustrée à la figure 1 Le mélange de matière à projeter souhaité est placé dans une trémie unique 31 ayant une base conique ouverte 32 et contenant une pale 33 rotative actionnée par un moteur 34 Une plaque 35 estportéeparl'arbre de transmission du moteur 36 en dessous de l'ouverture à la base 32 de la trémie, et un racloir 37 équipe l'extérieur de la base de la trémie pour enlever de la matière de la plaque et la faire tomber dans un déversoir 38 menant à un-venturi 39 Du gaz est 20 amené le long d'une conduite 40 vers le venturi 39 pour entraîner des particules de matière à projeter dans une ligne d'alimentation flexible 41 menant du venturi 39 à la lance 1 o cette matière passe dans le conduit externe d'alimentation 3 (figure 1) Une seconde ligne flexible 42 alimente en oxygène le conduit d'alimentation central 2 de la lance 1 Si de l'oxy25 gène en quantité suffisante pourassurer une combustion efficace peut être amené par la seconde ligne flexible 42 etle conduit d'alimentation central 2 de la lance, les particules de matière peuvent être entraînées au venturi 39 par un mélange d'azote et d'oxygène, par exemple de l'air. La figure 7 illustre une disposition dans laquelle la 30 matière formatrice de réfractaire et la matière réfractaire à projeter sont amenées séparément à la lance La matière formatrice de réfractaire, par exemple des particules d'aluminium et/ou de silicium, est contenue dans une trémie similaire à celle représentée à la figure 6, mais qui est pourvue d'un couvercle 43 et qui peut être mise sous pression 35 au moyen d'un mélange d'azote et d'oxygène, par exemple de l'air, pour amener la matière combustible du déversoir 38 à une ligne flexible 41 alimentant le conduit d'alimentation central ' de la lance 1 Evidemment, si on le désire, ce système d'alimentation sous pression peut être rem placé par un système d'alimentation à venturi, tel que décrit en se référant à la figure 6 La matière réfractaire est contenue dans une seconde trémie 44 pourvue d'une base conique 45 et d'une pale rotative 46 mue par un moteur 47 La base conique 45 de la trémie se termine dans un tuyau d'alimentation 48 contenant une vis 49 qui sert à injecter la matière dans-un courant d'oxygène alimentant le conduit d'alimentation externe 3 de la lance 1, via une ligne flexible 50 A nouveau, une 10 telle alimentation par vis peut être remplacée par une alimentation à venturi, telle que décrite en se référant à la figure 6. La figure 8 illustre une modification de la forme d'une trémie, ici représentée en 51, qui comporte six portions coniques inférieures 52 menant chacune à un venturi 53 et à une ligne flexible 54, 15 pour amener de la matière à projeter à une lance, par exemple du type représenté à la figure 5 Chacune de ces lignes d'alimentation 54 peut être connectée à un conduit d'alimentation 21 tel que représenté dans cette figure. REVENDICA T IONS 1 Lance de projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particules de matière réfractaire et d'un gaz comburant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un conduit d'alimentation destiné à acheminer de la matière à pro5 jeter vers une tête de lance qui comprend plusieurs ajutages pour projeter une telle matière, en ce que le parcours d'écoulement de la matière à projeter se ramifie ou forme un coude, et en ce qu'une cavité en forme de godet est disposée à la ou chaque ramification ou coude, ouverte vers l'amont du parcours d'écoulement, pour retenir des par10 ticules de la matièreacheminée lelongdece parcours, de manière que la r.,atière retenue forme elle-même une barrière contre l'abrasion à l'emplacement de cette cavité. Z Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un tel conduit alimentant tous les ajutages 15 de projection. 3 Lance selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ajutages sont disposes hors d'aligfement avec le ou un tel conduit et en ce que la tête de lance comprend une pièce en forme de godet alignée avec et ouverte vers le dit conduit d'alimentation. 0 4 Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs conduits d'alimentation alimentant chacun un tel ajutage. Lance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le corps de lance est pourvu d'une chemise de Z 5 refroidissement. 6: Lance selon la revendication 5, caractérisée en ce que la chemise de refroidissement comprend au moins trois conduits de réfrigérant concentriques disposés de manière que le réfrigérant s'écoule dans des directions opposées dans des conduits voisins. 7 Dispositif de projection comprenant une lance selon l'une des revendications 1 à 6 et des moyens pour alimenter en particules de matière, via un venturi, le ou chaque conduit d'alimentation le long duquel/desquels les particules de matière doivent être acheminées. 8 Dispositif de projection comprenant une lance 35 selon l'une des revendications 1 à 6 et une trémie unique pour alimenter en particules de matière le ou chaque conduit d'alimentation. 9 Procédé de projection de particules de matière combustible formatrice de réfractaire, de particules de matière réfractaire et d'un gaz comburant contre une surface pour former, par cornm5 bustion, une masse réfractaire cohérente sur cette surface, caractérisé en ce que la projection est effectuée au moyen d'une lance pourvue d'au moins un conduit d'alimentation le long duquel la matière à projeter est acheminée vers une tête de lance d'o la matière est éjectée par plusieurs ajutages, en ce que le parcours d'écoulement de la matière à 10 projeter est ramifié ou forme un coude, et en ce qu'une cavité en forme de godet est disposée à la ou à chaque ramification ou coude, ouverte vers l'amont du parcours d'écoulement pour retenir des particules de la matière acheminée le long de ce parcours de manière que la matière retenue forme elle-même une barrière contre l'abrasion à l'emplacement 15 de cette cavité. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière à projeter est acheminée vers tous les ajutages via au moins un conduit d'alimentation commun. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en 20 ce que le parcours d'écoulement de la matière à projeter subit un changement brusque de direction dans la têté de lance et en ce qu'une pièce en forme de godet est disposée dans la tete de lance pour retenir des particules de la matière acheminée le long du ou d'un tel conduit d'alimentation, de manière que la matière retenue forme elle-même une barrière 25 contre l'abrasion à l'emplacement du tel changement de direction. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules de matière à projeter sont amenées à chaque ajutage le long d'un conduit d'alimentation différent. 13 Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, 30 caractérisé en ce que la lance est refroidie pendant la projection. 14 Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les particules de matière sont amenées à la lance via un venturi au ou à chaque conduit d'alimentation le long duquel/desquels les particules de matière sont acheminées. 15 Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que la matière combustible et la matière réfractaire sont amenées à la lance depuis une trémie commune. 16 Procédé selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que les particules réfractaires constituent au moins 80 o en poids des particules de matière projetées.