Brevet FR2571483A1 — publié le 19860411

L'invention concerne le domaine de la protection des garnissages (maçonneries) réfractaires contre l'usure à l'aide d'un champ électrique, et a notamment pour objet un four industriel à garnissage ainsi protégé, destiné à etre utilisé notamment en sidérurgie, en métallurgie des non-ferreux, dans l'industrie verrière. Les principaux facteurs entraînant l'usure d'un garnissage réfractaire lors du fonctionnement d'un four industriel sont les charges thermiques et la corrosion à haute température sous l'action des matières fondues et des gaz résultant de la combustion des combustibles, des produits liquides et gazeux de la fusion. Les charges thermiques sur le garnissage sont caractérisées par l'hétérogénéité des flux thermiques et des champs de température, par des cycles fréquents de réchauffage et de refroidissement, ce qui fait apparaître des contraintes mécaniques dans le garnissage et, en définitive, provoque l'écaillage du garnissage. L'effet principal de la corrosion consiste en ce qu'elle dégrade la structure de la surface active du garnissage contactée par la matière fondue et l'atmosphère du four, et diminue ainsi sa résistance mécanique, ce qui entraîne une accélération marquée du processus d'écaillage du garnissage. Pendant la marche du four, la surface du réfractaire, qui est à base d'oxydes réfractaires de métaux (par exemple, Al203, CaO, MgO, ZrO, etc.), s'imprègne de diverses substances: métal fondu, scorie dans les fours métallurgiques; masse de silicate dans les fours à verre; caloporteur fondu dans les fours de réchauffage; ainsi que, dans tous les cas: produits gazeux. Il se forme des zones à structure compliquée, de composition chimique complexe, qui peut etre douée soit des propriétés d'un semiconducteur, soit des propriétés d'un électrolyte solide. La température de cette zone n'est pas la même en ses divers points: certains endroits sont plus réchauffés que d'autres.Il en résulte, entre les diverses zones de la surface, une force électro motrice (f.é.m.) thermoélectrique, laquelle engendre dans le garnissage un courant électrique qui provoque une corrosion électrochimique intensifiée du réfractaire. La valeur et le sens de ladite f.é.m. dépendent de la composition chimique du réfractaire imprégné par les produits se trouvant dans le four, et de la différence de température. Si la différence de température n'est pas élevée, on peut considérer que ot E est la valeur de la f.é.m. thermoélectrique entre deux points, T, T, la différence de température entre ces points, O(,un coefficient constant tenant compte de la composition de la substance. D'ordinaire, pendant la marche des fours, la f.é.m. thermoélectrique s'élève a 0,5-2,0 V. Le mécanisme et la vitesse de la corrosion électrochimique varient en fonction du caractère de la conductibilité de la zone parcourue par le courant électrique. En règle générale, la conductibilité est mixte: électronique et ionique. Pour lutter contre la corrosion du garnissage réfractaire des fours, on applique diverses méthodes. Conformément à l'une d'elles, on plonge dans le bain de matière fondue au moins une électrode en matériau de bonne tenue, on met les réfractaires à protéger, base d'oxyde de zirconiumten contact avec des conducteurs métalliques, et on crée entre ces conducteurs et l'électro- de plongée dans le bain une f.é.m. continue, fournie par une source extérieure, de telle façon que le bain soit parcouru par un courant électrique circulant de l'electro- de aux réfractaires à protéger. La f.é.m. est régulée de façon à assurer à la surface du réfractaire un courant électrolytique d'une densité de l'ordre de 10 mA/cm2.On assure ainsi un ralentissement de la corrosion, résultant de l'échange ionique provoqué par la différence de potentiel chimique des substances du bain et de la surface du réfractaire. Un inconvénient de cette solution technique consiste en ce qu'elle n'est applicable qu'aux réfractaires à base d'oxyde de zirconium. En outre, elle n'assure pas un accroissement notable de la tenue du garnissage, car elle ne ralentit qu'un seul genre de corrosion et n'a aucune influence sur d autres genres. Un autre inconvénient consiste en ce que, dans les fours à verre, le procéaé provoque un abaissement de la qualité du verre fondu, résultant de sa décomposition électrolytique par le courant d'une intensité de l'ordre de 10 mA/cm2. Conformément à une autre solution connue, la protection contre la corrosion est réalisée à l'aide d'elec- trodes plongées dans la matière fondue, et d'éléments conducteurs se trouvant dans l'émaillage de transition sur le réfractaire et raccordés aux pôles opposés d'une source de courant continu, le f.é.m. de cette source étant régulée de telle sorte que la densite du courant à la surface du réfractaire contactée par la matière fondue soit d'au moins 1mA/cm. Cette solution ne peut, elle non plus, assurer une augmentation notable de la durée de service du garnissage, car elle ne ralentit que la corrosion électrolytique de la surface active du réfractaire, à l'endroit ou elle est contactée par la matière fondue. On connaît aussi un four de conception apportant une solution au problème de l'accroissement de la durée de service du garnissage réfractaire, comprenant une cuve en maçonnerie réfractaire, contenant un silicate fondu, et des éléments conducteurs placés dans la maçonnerie de façon qu'ils émergent à sa surface active au-dessous et audessus du niveau de la matière fondue, ces éléments étant respectivement raccordés au pôle positif et au pôle négatif d'une source de courant continu. Un tel dispositif compense la f.é.m. thermoélectrique entre les différentes zones de la surface active de la maçonnerie réfractaire. On obtient ainsi une diminution des courants qui circulent le long de la surface et provoquent la corrosion du réfractaire. Toutefois, il y a d'autres mécanismes de corrosion contre lesquels il est impossible de lutter au moyen de ce dispositif connu, aussi l'accroissement de la durée de service du garnissage est-il insuffisant. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués plus haut. On s'est donc proposé de créer un four industriel qui serait de conception et aurait une disposition des éléments conducteurs telles,~qu'elles assureraient une conservation prolongée de son garnissage réfractaire, ainsi qu'une augmentation de la production du four, grace à la réduction des arrêts pour les réfections. La solution consiste en un four comprenant une cuve constituée par une maçonnerie réfractaire, dans laquelle se trouve la matière fondue, et des éléments conducteurs placés dans la maçonnerie de façon qu'ils émergent a sa surface active au-dessous et au-dessus du niveau de la matière fondue, ces éléments étant raccordés aux pôles opposés d'une source de courant continu, four dans lequel, d'après l'invention, il est prevu des éléments conducteurs placés dans la maçonnerie sans qu'ils émergent à sa surface active, ces éléments étant raccordés aux pôles de la source de courant continu de façon que leur polarité soit contraire de celle des éléments conducteurs de la surface active correspondante. Il est avantageux de disposer au-dessous du niveau de la matière fondue au moins trois éléments conducteurs, deux de ces éléments émergeant a la surface active de la maçonnerie des hauteurs différentes, et le troisième étant disposé entre eux et n'émergeant pas a la surface active. Pour que la protection de la maçonnerie de la cuve contre la corrosion soit d'une efficacité maximale, les éléments conducteurs disposés au-dessous du niveau de la matière fondue et émergeant à la surface active de la maçonnerie des murs de la cuve sont de préférence situés à une distance, par rapport au niveau de la matière fondue et du fond de la cuve, de 0,1 à 0,2 de l'épaisseur de la maçonnerie, et l'élément conducteur n'émergeant pas à la surface active de la maçonnerie est équidistant desdits éléments. Un tel mode de réalisation de l'invention permet d'assurer une protection optimale de la maçonnerie réfractaire contre la corrosion et d'accroître sa longévité. L'essence de l'invention consiste en ce qui suit. Quand le four fonctionne, il apparaît une grande différence de température entre la surface active de la maçonnerie réfractaire et sa zone interne. Il en résulte l'apparition d'une f.é.m. thermoélectrique entre la surface active et la zone interne du garnissage et, par conséquent, d'un courant électrique. Ce courant électrique provoque une corrosion électrochimique intense au sein du garnissage, ce qui entraîne la formation d'une structure défectueuse dans les couches épaisses voisines de la surface et une perte de résistance mécanique qui atteint immédiatement une grande profondeur de garnissage. Les études qui ont été effectuées ont permis d'établir que la présence, dans la maçonnerie, d'éléments conducteurs supplémentaires n'émergeant pas à sa surface active et raccordés aux pôles de la source de courant de façon que leur polarité soit contraire de celle des éléments conducteurs de la surface active correspondante, affaiblit notablement la corrosion volumique. Il a aussi été établi que, en même temps, la profondeur de pénétration de la matière fondue, des produits de fusion-et de combustion du combustible dans le réfractaire diminue, que le processus de changement de la composition chimico-minéralogique du réfractaire et la formation d'une structure zonale en profondeur dans la maçonnerie se ralentissent. La structure défectueuse se forme elle aussi bien plus lentement. Tout cela se traduit par une conservation de la résistance mécanique du réfractaire re à un niveau élevé pendant un temps prolongé, par la prévention de l'écaillage du réfractaire et par une longue durée de service de la maçonnerie. La présence, au-dessous du niveau de la matière fondue, d'au moins trois éléments conducteurs dont deux émergent à la surface active de la maçonnerie et dont le troisième est situé entre eux et n'émerge pas a ladite surface active, permet de répartir le champ électrique de la source extérieure suivant la hauteur des murs de la cuve et, de la sorte, d'assurer une protection complète de la maçonnerie des murs de la cuve contre la corrosion sur toute leur hauteur. Le fait que les éléments conducteurs émergeant a la surface active de la maçonnerie des murs de la cuve soient disposés de façon que leur distance par rapport au niveau de la matière fondue et au fond de la cuve soit de 0,1 a 0,2 de l'épaisseur de la maçonnerie, et le fait que l'élément conducteur n'émergeant pas à la surface active de la maçonnerie soit disposé de façon qu'il soit équidistant desdits éléments, permet de donner au champ électrique de la source extériéure une configuration optimale pour la protection contre la corrosion des parties des murs de la cuve les plus sujettes à la corrosion, à savoir: aupres de la frontière supérieure et de la frontière infériéure de la matière fondue, où se déroulent des processus physicochimiques intenses.En même temps, cela assure une protection uniforme de la maçonnerie des murs de la cuve sur le reste de sa hauteur. En définitive, le dispositif permet d'augmenter la durée de service du garnissage de 1,5 a 2 fois. Il en resulte une augmentation de la production du four, car ses campagnes sont accrues, les immobilisations nécessaires a la réfection de la maçonnerie usée sont réduites. Un avantage important consiste en ce que la mise en oeuvre de l'invention est d'un cout extrêmement bas, car elle ne necessite aucune transformation des principales structure res du four et, par conséquent, aucun investissement. De plus, les frais de réfection diminuent. Un avantage supplémentaire est la simplicité de l'exploitation du système ainsi conçu. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un four industriel a verre, montrant les éléments conducteurs supplémentaires et le schéma de raccordement de ces éléments a la source de courant; - la figure 2 représente lemême four, mais dans lequel lesdits éléments sont disposés au-dessous du niveau de la matière fondue, de telle façon que deux d'entre eux émergent à la surface active de la maçonnerie, et que le troisième soit situé entre eux. Le four représenté sur les figures 1 et 2 comprend une cuve 1 constituée par des murs 2 et une sole 3 en maçonnerie réfractaire, et dans laquelle se trouve le verre fondu 4, des murs 5 formant la partie supérieure du four et une voûte 6, également réalisés en maçonnerie réfractaire. Dans la maçonnerie réfractaire de la voûte 6 et des murs 5, au-dessus du niveau de la matière fondue, sont disposés des éléments conducteurs 7 qui émergent à la surface active de la maçonnerie, et des éléments conducteurs supplémentaires 8 n'émergeant pas à ladite surface active. Dans la maçonnerie de la sole 3 et des murs 2 de la cuve 1, au-dessous du niveau de la matière fondue 4, sont disposés des éléments conducteurs 7a émergeant à ia surface active de la maçonnerie, et des éléments conducteurs supplémentaires 8a n'émergeant pas à la surface active. Comme le montre la figure 2, dans la maçonnerie de la sole et des murs de la cuve 1, au-dessous du niveau de la matière fondue, sont disposés au moins trois éléments conducteurs, dont deux (7a) émergent à la surface active, tandis que le troisième (8a) est situé entre eux et n'émerge pas à la surface active. Les éléments conducteurs 7a émergeant à la surface active de la maçonnerie des murs 2 de la cuve 1, sont disposés, par rapport au niveau de la matière fondue 4 et du fond 3 de la cuve 1, à une distance de Ô,1-0,2 de l'épaisseur de la maçonnerie, et l'élément conducteur 8a n'émergeant pas à la surface active de la maçonnerie est disposé de façon qu'il soit équidistant desdits éléments 7a. Tous les éléments conducteurs sont des plaques en acier inoxydable, de préférence d'une épaisseur de 1,5 a 2,0 mm. Lesdits éléments conducteurs peuvent aussi être réalisés en d'autres matériaux universellement connus, doués d'une bonne tenue, tels que, par exemple, le platine, le molyb dense, etc. Le dispositif comprend aussi une source 9 de courant continu avec une borne positive 10 et une borne négative 11. Les éléments conducteurs 7a et 8 sont raccordés à la borne 10, et les éléments conducteurs 7 et 8a, a la borne 11. Les raccordements sont réalisés à l'aide de conducteurs 12. Le four qui vient d'etre décrit fonctionne de la façon suivante. Lors de la cuisson du verre 4, il apparaît dans la maçonnerie réfractaire des murs 2,5, de la sole 3, de la voute 6, entre la surface active de la maçonnerie et sa zone interne, une f.é.m. thermoélectrique due à la différence de température entre elles et à leurs compositions chimiques différentes, résultant de l'imprégnation du réfractaire par la matière fondue et par les produits de fusion se trouvant dans l'atmosphère du four, ainsi qu'aulx différences structurales des couches superficielles et des couches plus profondes. Entre les parties de la surface active de la maçonnerie situées au-dessus et au-dessous du niveau de la matière fondue, il apparaît aussi une f.é.m. thermoélectrique due avant tout à la différence des compositions chimiques des produits du four imprégrant la surface du garnissage dans ces zones. De plus, le potentiel de la surface des murs 5 et de la voûte 6, se trouvant au-dessus du niveau de la matière fondue, et le potentiel de la zone interne de la maçonnerie des murs 2, se trouvant au-dessous du niveau de la matière fondue, sont positifs, tant par rapport au potentiel de la zone interne des murs 5 et la voûte 6, se trouvant au-dessus du niveau de la matière fondue, que par rapport au potentiel de la surface des murs 2 se trouvant au-dessous du niveau de la matière fondue. La valeur de la différence de potentiel s'élève sensiblement à 0,7-1,0 V. Après raccordement de tous les éléments conducteurs 7, 7a, 8, 8a aux bornes 10 et 11 de la source 9 de courant continu, à l'aide des conducteurs 12 de liaison, comme représenté sur les figures 1 et 2, une tension allant de préférence de 3,0 à 4,0 V est appliquée auxdits éléments conducteurs. Le champ électrique qui est alors engendré dans le garnissage par les éléments conducteurs est de sens opposé à celui de la f.é.m. thermoélectrique dans toutes les zones du garnissage. Grâce au fait que la tension appliquée par la source est plus grande que la f.é.m. thermoélectrique, le champ engendré par les éléments conducteurs est suffisant pour supprimer d'une manière sure les courants provoquant la corrosion, malgré la discontinuité de disposition des éléments conducteurs dans le garnissage et une certaine chute de tension dans les conducteurs de liaison. On obtient ainsi un ralentissement de la destruction de la maçonnerie réfractaire du four. Ce qui vient d'être dit montre que le dispositif présente des avantages marqués comparativement aux dispositifs connus, car il permet d'augmenter la durée de service de la maçonnerie réfractaire du four et d'élever ainsi ses performances économiques. R E V E N D I C A T I O N S 1. Four comprenant une cuve (1) constituée par une maçonnerie réfractaire, dans laquelle se trouve la matière en fusion (4), et des éléments conducteurs (7 et 7a) placés dans la maçonnerie de façon qu'ils émergent à sa surface active, au-dessous et au-dessus du niveau de la matière en fusion(4), ces éléments (7, 7a) étant raccordés aux pôles opposés d'une source (9) de courant continu, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments conducteurs supplémentaires 8 et 8a placés dans la maçonnerie de manière à ne pas émerger a sa surface active, ces éléments (8 et 8a) étant raccordés aux pôles de la source (9) de courant continu de façon que leur polarité soit contraire de celle des éléments conducteurs (7 et 7a) de la surface active correspondante. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, au-dessous du niveau de la matière fondue (4), au moins trois éléments conducteurs (7a et 8a), dont deux (les éléments 7a) émergent à la surface active de la maçonnerie à des hauteurs différentes, tandis que le troisième (l'élément 8a) est disposé entre eux et n'émerge pas à la surface active. 3. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (7a) émergeant à la surface active de la maçonnerie des murs (2) de la cuve (1) sont disposés, par rapport au niveau de la matière fondue (4) et du fond (3) de la cuve (1), à une distance de 0,1 à 0,2 de l'épaisseur de la maçonnerie, tandis que l'élément conducteur (8a) n'émergeant pas à la surface active de la maçonnerie est équidistant desdits éléments (7a).