Brevet FR2598792A1 — publié le 19871120

259879? À-' PERFECTIONNEMENT AUX PROCEDES ET DISPOSITIFS DE FUSION DE MATERIAUX FIBRABLES L'invention concerne la fusion de matériaux étirables tels que des verres basaltiques, des laitiers de hauts fourneaux ou autres, 15 en vue de la production industrielle de laine de roche. Il est connu de conduire le matériau à fibrer, à l'état fondu, à la périphérie de trois ou quatre roues de centrifugation, disposées à proximité l'une de l'autre, le matériau étant déversé sur une première roue qui l'accélère et renvoyé sur la roue suivante. Chaque 20 roue transforme une partie du matériau fondu et renvoie l'excès sur la roue suivante. Ces techniques de production de laine de roche à partir de matériaux à haut point de fusion sont plus généralement dénommées à centrifugation libre. Elles ont déjà fait l'objet de nombreux perfec25 tionnements qui visent notamment à une amélioration du rendement en fibres. Il a été ainsi montré que le pourcentage de produits infibrés est réduit par une optimisation du couple diamétre-vitesse de rotation des roues. De même, l'état de surface des roues, suivant qu'il favorise ou non l'accrochage du matériau fondu influence l'étirage des fibres. 30 D'autres propositions se réfèrent aux circulations de gaz autour des roues de centrifugation. Le document de brevet français FR 84.16547 propose par ailleurs de contrôler les conditions dans lesquelles le matériau fondu est conduit de l'enceinte de fusion à la première roue de centrifugation. 35 Pour celâ, une réserve est interposée sur le trajet du matériau fondu, ce qui assure une homogénéisation de la température et de la composition de ce matériau. De plus l'établissement de cette réserve assure une régularisation du débit de matériau fondu provenant de l'enceinte de fusion. ::; ::; -: 7" D:: : -: t ::; 0: :r : - i: ] z D: a:-S 0 : : 7 t: :: n:: d: À: :::i 00:: : 00 0 0:: 0 0-:\k: : : \ 0 X ':::;. 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Enfin au fond du cubilot s'accumulent les résidus de fonte, provenant soit des nodules inclus dans le laitier, soit de la réduction d'oxydes de fer du reste de la charge. Quoique la fonte de plus grande densité se sépare naturellement du matériau à fibrer à l'état fondu, le trou de coulée doit être au niveau le plus élevé possible afin que ne L5 s'échappent pas également de petites quantités de fonte qui entraineraient une usure rapide des roues de centrifugation. De telles enceintes de fusion sont très avantageuses, si son considère les débits très importants de produits fondus et le faible coût énergétique de cette fusion. Toutefois, ces cubilots fournissent 0 un débit très irrégulier de matière fondue, comme le souligne la demande de brevet français FR 84.16547. Les irrégularités de débit ont de multiples origines. En régime stationnaire, le niveau des charges de comburant et de combustible est en effet sensiblement constant, toutefois il se produit à interval5 les réguliers des effondrements de charges, notamment de coke qui conduisent à un entraînement de morceaux de coke non br1lés avec le flux de matériau fondu. Ces particules de coke sont particulièrement dommageables à l'installation, car elles augmentent la quantité de produits infondus et surtout, les fibres produites simultanément à cet eno trainement du coke doivent être éliminées sous peine de formation d'un produit inflammable. D'autre part, comme indiqué précédemment, pour réduire les entraînements de fonte, le trou de coulée du matériau à fibrer doit être situé à un niveau relativement élevé, autrement dit à proximité de 5 la zone de combustion et des tuyères d'insufflation du gaz comburant. Le trou de coulée du matériau à fibrer est alors situé dans une zone ou règnent de grandes turbulences et des quantités importantes de gaz ou même de matières solides s'échappent en direction des roues de centrifugation. - 3 La présente invention a pour but de proposer un procédé de chargement amélioré d'une enceinte de fusion de type cubilot permettant d'obtenir une coulée plus régulière de matériaux étirables tels des verres basaltiques, des laitiers de hauts fourneaux ou autres produits utilisés pour la production de fibres dites de roche. Selon l'invention et conformément à la caractéristique de la revendication 1, le chargement du cubilot en gaz comburant est mené de façon non uniforme pour créer dans la section du cubilot correspondant au niveau du trou de coulée un gradient de vitesse de circulation des 10 gaz, les vitesses de circulation les plus faibles se rencontrant à proximité du trou de coulée. D'une manière surprenante, l'établissement d'un tel gradient de vitesse de circulation des gaz permet une augmentation de la quantité d'air insufflé dans le cubilot ce qui est favorable à la produc15 tion de chaleur. Comme les gaz circulent à proximité du trou de coulée à une faible vitesse, leur tendance à s'échapper avec le matériau fondu est fortement réduite. Ce gradient de vitesse de circulation des gaz est d'une manière préférée tel que la pression totale mesurée par rapport à la 20 pression atmosphérique dans le seuil de coulée reste inférieure à 60% de la pression dans la première tuyère, c'est à dire dans la tuyère la plus proche de celui-ci. De préférence, cette augmentation de la quantité d'air insufflé s'effectue sans accroissement du débit nominal à la section dtu 25 cubilot au niveau des tuyères d'insufflation. Ceci est obtenu à l'aide d'un cubilot constitué par une enceinte cylindrique à section constante. Quoiqu'un débit normal élevé rapporté à la section du cubilot au niveau des tuyères favorise théoriquememnt la combustion di coke, il est en effet apparu selon l'invention que la tendance à l'envol 30 des matériaux en cours de fusion est alors très forte et compense cet avantage. De plus, avec une large section du cubiiot au niveau des tuyères d'insufflation d'air, un gradient de vitesse de circulation de gaz s'établit plus aisément. Pour établir celui-ci, on peut utiliser par exemple un cubi35 lot pourvu d'une série de tuyères d'insufflation d'air régulièrement espacées sur toute la circonférence et alimenter ces tuyères avec des débits différents suivant leur éloignement du trou de coulée, par exemple avec des débits quasi nuls pour les tuyères placées de part et d'autre du trou de coulée. - 4 - Selon une autre caractéristique prférée de l'invention, la coulée du matériau fondu est encore régularisée par une protection de l'entourage du trou de coulée. Le trou de coulée forme évidemiment la limite supérieure du niveau des liquides, ou plus précisément la limite 5 inférieure du niveau de libre circulation des gaz. Pour réduire le pourcentage de gaz dissous dans les liquides et éviter l'entrainement vers le trou de coulée de particules de coke non oxydées ou de matières premières encore à l'état solide, on propose selon l'invention de combler le fond du cubilot jusqu'au niveau du trou de coulée avec une 10 charge de coke. Située sous la zone de combustion, dans une zone anaérobie, cette charge de coke ne contribue pas directement à la production de chaleur. Par contre, elle joue un rôle de filtre. De plus, elle soutient la première charge de matière premières et/ou de coke avant que ne s'établisse un régime stationnaire de fonctionnement. Cette charge initiale de coke est de préférence composée par des blocs de coke de grandes dimensions, posés sur le fond du cubilot après que celui-ci ait été protégé par un pisé. La combinaison de la présence de ce filtre formé par des blocs de coke et de l'établissement d'un gradient de vitesse de cir20 culation des gaz garantissant une faible vitesse de circulation dans la zone proche du trou de coulée assure un débit de matériau fondu tris régulier et homogène en composition ce qui conduit à une amélioration du rendement de l'opération de fibrage. Conmme la fusion de la roche est relativement lente, il faut 25 veiller à ce que les gaz comburants et les gaz de combustion puissent circuler très facilement dans la zone de fusion et surtout puissent s'échapper en direction de la cheminée. Pour celà la charge ne doit pas être trop compacte sous peine de la création d'une surpression dans la zone de fusion, surpression qui conduit à une augmentation des turbu30 lences dans la zone de coulée. C'est pourquoi la charge de matière première est de préférence introduite sous forme de blocs ou briquettes extrudés, par exemple cylindriques. Une telle méthode de préparation de la charge est bien connue, par exemple du brevet US 2 020 403. Elle présente de plus l'avantage de permettre une récupération des infondus, 35 des déchets de fibres et un ajustement de la composition de matières premières. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaissent dans la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention faite en référence à la planche unique annexée qui représente - 5 un schéma de fonctionnement d'un cubilot selon l'invention. Une enceinte de fusion pour verres basaltiques, laitiers de hauts fourneaux métallurgiques ou autres produits à points de fusion élevés doit échauffer la charge de manière très rapide, pour un faible coût énergétique et sans nécessiter de fréquentes interruptions de production. Les procédés de fusion doivent tenir compte d'une part du faible prix d'achat des matières premières, il s'agit en effet d'une valorisation de produits de rejets de la sidérurgie par exemple, et d'autre part des rendements moyens en fibres capables d'être obtenus 10 par les procédés de fibrage à centrifugation libre. Pour être exploitable industriellement, un procédé améliorant la capacité de fusion se doit donc d'être simple et facilement mis en oeuvre. La quantité de chaleur nécessaire à l'élévation de la charge de roches ou de laitiers jusqu'à sa température de fusion est fournie 15 par la combustion de coke, les charges de matières premières et de coke étant introduites en strates alternées ou éventuellement simultanément à partir de mélange de matières premières et de combustible. Il est bien connu que la combustion du coke s'effectue normalement dans la partie basse du cubilot, et plus exactement dans la section comprise 20 entre les tuyères et 500 à 800 mm au-dessus. Cette combustion consomme l'oxygène de l'air des tuyères suivant la réaction C + 02 C02, les gaz chauds libérés transfèrent leur chaleur à la charge située audessus, provoquant leur fusion. Jusqu'à 900 C environ, une partie du carbone présent dans la 25 charge est consommée dans une réaction endothermique avec le dioxyde de carbone produisant du monoxyde de carbone. Si, partant de cette situation, on veut augmenter le débit de l'appareil, on doit augmenter la quantité d'air introduit, de façon à augmenter le débit de transformation du coke en dioxyde de carbone et 30 en chaleur, et par conséquent le débit de matières passant de l'état solide à l'état liquide. Or nous avons constaté que, pour un cubilot donné, cette augmentation présentait une limite que nous attribuons à l'effet des turbulences en partie basse de l'appareil: dans certaines conditions de turbulences excessives, le coke brûle plus vite que la 35 charge ne fond, au point que la quantité de coke encore présente dans la zone de combustion est trop faible. L'oxygène n'étant plus consommé en partie basse, reste disponible pour réagir avec le coke situé dans les zones ou les strates supérieures, ce qui provoque une montée irréversible de la zone de combustion et l'arrêt de fonctionnement de l'ap- - tt4". w -'- i- -6 pareil par blocage de la colonne de matières, depuis les parties basses. Pour éviter cette configuration, on essaie en général d'augmenter la quantité de coke par charge, mais le résultat principal est 5 la transformation de cet excès de coke en monoxyde de carbone, sans augmentation sensible du débit maximum. Une meilleure solution consiste à chauffer l'air des tuyères à 400 à 600C. On recule ainsi la limite de débit de l'appareil puisque, a composition égale, une quantité moindre de coke, donc d'air, est 10 nécessaire pour obtenir la fusion. D'autre part, comme le trou de coulée du matériau étirable doit être situé à un niveau assez élevé, pour une bonne décantation de la fonte occluse dans le matériau en fusion, il se trouve très proche de la zone de combustion et d'insufflation du gaz comburant. Une aug15 mentation du débit gazeux correspond donc à une élévation des turbulences au niveau du trou de coulée et la coulée de matière en fusion est alors irrégulière et de plus des matières infondues, ou encore de la fonte, sont suceptibles d'être entraînées vers le roues de centrifugation et de provoquer leur usure rapide. Pour y remédier et comme schématisé sur le planche unique annexée, l'invention propose de charger le cubilot en air de façon non uniforme pour créer au niveau des tuyères d'insufflage un gradient de vitesse de circulation des gaz, les vitesses de circulation les plus faibles se rencontrant à proximité du trou de coulée. De cette façon le cubilot peut fonctionner avec des débits et des vitesses moyennes de circulation des gaz, plus importants sans que soient accrues les turbulences dans la zone du trou de coulée. Le cubilot en fonctionnement ne possède donc qu'un plan de symétrie, le plan vertical coupant le trou de coulée utilisé sur la figure 1. Sur cette figure, on a schématisé l'étagement des différentes zones d'un' cubilot. Le cubilot, surmonté par une cheminée 1 équipée de dispositifs d'épuration des gaz, ici non représentés, est équipé d'un dispositif de chargement 2 alimenté par une bande sans fin 3. Les parois 35 latérales 4 du cubilot sont doublées pour un refroidissement à l'eau. Son fond 5 est de préférence démontable et fixé d'une manière étanche aux parois, par boulonnage. De plus, il est soigneusement protégé par un pisé 6. L'alimentation en gaz comburants s'effectue par des tuyères 7. De préférence, ces tuyères sont au nombre de douze et placées par - 7 paire régulièrement espacées à 60 les unes des autres. Le trou de coulée 8 est placé entre deux tuyères, légèrement en dessous d'elles. Le flux de matériau fondu qui s'en écoule est de préférence réceptionné par un creuset suivant l'enseignement de la demande FR. 84.16547. La 5 matière est ensuite dirigée à l'aide d'une gouttière vers la première roue de centrifugation, dite roue de distribution en vue de la production de fibres. Les produits fondus s'accumulent jusqu'au niveau du trou de coulée 8. Sous ce niveau, il faut éviter une trop grande quantité de 10 gaz dissous, car ceux-ci entraînent des irrégularités de débit. Toutefois le trou de coulée 8 ne peut pas être situé sur le fond du cubilot si on utilise des matières premières dans la composition desquelles entrent des quantités importantes d'oxyde de fer, ce qui est notamment le cas avec les roches basaltiques. Outre qu'elle détériore la fibre, la 15 fonte entraîne en effet une usure rapide des roues de centrifugation; il est donc nécessaire de permettre sa décantation au fond du cubil(,t et de l'évacuer périodiquement, par un piquage au travers du fond 5 et du pisé 6, le long de la goulotte 18. De cette façon, on maintient les niveaux des deux liquides, fonte et roche fondue, bien espacés. Il doit être également souligné que, contrairement aux enceintes usuelles de fusion, le cubilot selon l'invention est de préférence à section cylindrique sensiblement constante, de sorte que l'on peut l'alimenter avec des débits de comburant très importants tout en ayant une vitesse de circulation rapportée à la section relativement 25 plus faible qu'avec les cubilots à diamètre réduit en partie basse. Un tel cubilot à faible vitesse de circulation des gaz permet des débits de matière fondue très importants. Les charges solides sont introduites par exemple sous forme de strates alternées de combustibles (9, 10, 11), et de matériau à forn30 dre (12, 13, 14). Convient plus particulièrement comme combustible du coke sous forme de morceaux d'assez larges diamètres et de granulométrie supérieure à 150 mm. Le matériau à fondre est suivant le type de produits souhaités et les possibilités locales d'approvisionnement du laitier de 35 hauts fourneaux, des roches basaltiques ou autres. Conformément a l'enseignement du brevet US 2 020 403, une partie du matériau à fondre est de préférence chargé à l'état de briquettes, par exemple cylindriques ou parallèlépipédiques et obtenues par extrusion du matériau humide. Les rejets de la production de fibres tels les infibrés, rejets - 8 des filtres d'eau de lavage, calcin sont ainsi agglomérés à l'aide d'une argile et recyclés. En pratique près de 15% de la charge de matériau fondu est constituée par des produits recyclés. Cette préparation de matériau fondu permet un ajustement de sa composition et notamment 5 son enrichissement en alumine à l'aide d'argile ou de bauxite, ce qui permet d'améliorer la qualité des fibres. De plus avec des briquettes, le stockage et le chargement du matériau à fondre sont facilités. Le principal avantage de l'utilisation de briquettes apparaît toutefois au moment de la fusion. En effet, lorsque les briquettes sont 10 déversées dans le cubilot, elles se répartissent de façon aléatoire, avec un coefficient de remplissage faible, de l'ordre par exemple de 80% de l'espace disponible. Ceci permet pratiquement une libre circulation des gaz entre les briquettes et empêche que ne se créent-des surpressions locales. Pour ces raisons, le coke est de préférence du type 15 60/100, qui assure également un coefficient de remplissage faible, à l'encontre de ce qui a été schématisé sur la figure pour différencier plus aisément les charges de coke et de matériau à fondre. Les charges 9 à 14 sont renouvelées pendant toute la période de fonctionnement du four, soit pendant une durée de 2 à 3 mois. Pour 20 la mise en route du four, elles sont soutenues par une charge initiale de coke qui occupe au moins toute la moitié inférieure du cubilot. La ligne pointillée 15 indique dans un cas d'espèce, la hauteur atteinte par la charge initiale de coke. En fonctionnement stationnaire, cette charge initiale ne per25 siste qu'à l'extérieur d'un paraboloide 16 de fusion, zones mortes dans lesquelles ne se produit pas de réaction chimique. Selon l'invention, et comme ici représenté, l'axe de révolution du paraboloîde 16 n'est pas confondu avec l'axe de symétrie du four, mais est décalé et très écarté du trou de coulée 8. Ceci est obtenu en réglant les tuyères 7 30 d'alimentation en air de telle manière que la pression totale mesurée par rapport à la pression atmosphérique du trou de coulée 8 soit toujours inférieure à 3000 Pa et de préférence à 2900 Pa, alors que la quantité d'air insufflé peut atteindre 6200N m3/h, soit une pression totale de 4900 Pa au niveau des tuyères 7. Il s'établit ainsi un gra35 dient de vitesse de circulation des gaz très important avec une zone de turbulences 17 très éloignée du trou de coulée. Ceci conduit directement à une diminution très importante des irrégularités du débit de matériau fondu s'écoulant du trou de coulée. Ainsi pour un débit de 8 tonnes heure de roche en fusion, l'écart type de débit mesuré dans le - 9 cas d'une alimentation en air symétrique est de 10%. Si par contre l'alimentation des tuyères est régulée conformément à l'invention, l'écart type n'est plus que de 6%. Ceci peut être obtenu de manière très simple en n'alimentant plus les quatre tuyères les plus proches du 5 trou de coulée tout en conservant le même débit d'air insufflé. De préférence toutefois, l'alimentation des douze tuyères est maintenue, mais le débit insufflé par chaque tuyère est régulé en fonction de la position desdites tuyères par rapport au trou de coulée. Pour cela, chaque tuyère est alimentée par sa propre pompe. De cette façon, il est possi10 ble d'opérer un contrôle étroit de la position du paraboloide 16 et de la modifier en cours de fonctionnement. De même, il est possible d'atteindre des tirées de plus de 10 tonnes heure avec des irrégularités de débit restant tolérables, c'est-a-dire inférieures à 10%. De telles tirées ne son envisageables que si une bonne éva15 cuation des gaz combustibles est possible et donc avec des charges présentées sous forme de briquettes conmme indiqué précédemment. De plus, il est alors particulièrement avantageux d'utiliser la charge initiale de coke conmme charge filtrante. Commne selon l'invention le paraboloide de fusion 16 est dé20 centré, le trou de coulée 8 se situe dans une zone morte très importante dans laquelle le coke de la charge initiale n'est jamais oxydé. Cette charge initiale peut ainsi être constituée pour sa partie inférieure par des blocs 19 de coke de grandes dimensions, mauvais combustible, ce qui n'a ici aucune importance, mais pouvant être placés très 25 soigneusement, de façon à présenter une porosité plus grande mais parfaitement répartie. Ces blocs 19 constituant ainsi une série de chicanes qui forcent la matière en fusion à s'homogénéiser, à décanter sa fonte, à n'entraîner jusqu'au seuil de coulée que des particules de coke trop petites pour obturer ce dernier, et facilement brûlées ensuite 30 dans le creuset placé en aval. Le placement correct des blocs 19 est grandement facilité si, d'une manière préférée, on utilise un cubilot à fond amovible tel que décrit précédemment. Ce placement peut alors être effectué à la main. Au-dessus du niveau d'arrivée des tuyères 7, la charge initiale doit être constituée par du coke identique au coke des 35 strates 9, 10 et 11, même s'il ne se produit pas de réactions chimiques dans les zones 20 et 21 extérieures au paraboloide 16 de fusion. Ainsi le procédé selon l'invention améliore de façon sensible les tonnages de matériau fondu sans accroitre pour autant le coût du traitement des charges de combustible et de matériau, ni celui de l'en- - 10 ceinte de fusion et ceci grâce à une simple distribution plus appropriée de l'ensemble des charges que ce soit les charges en combustible, en comburant et en matières premières. De plus, ce procédé peut éventuellement être mis en oeuvre a partir d'installations déjà construites ce qui constitue un avantage particulièrement intéressant. - - 30 R EV E N 0 IC AT 1 0 N S 1. Procédé de chargement amélioré d'une enceinte de fusion du type cubilot pour la fusion de matériaux à point de fusion 6tevé, tels des laitiers de hauts fourneaux ou des verres basaltiques en vue de la 5 production de fibres, dites fibres de roche, caractérisé en ce que l'alimentation en gaz comburant est menée de façon non uniforme pour créer dans la section du cubilot correspondant au niveau du trou de coulée (8) un gradient de vitesse de circulation des gaz, les vitesses de circulation les plus faibles se rencontrant à proximité du trou de 10 coulée (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la pression totale par rapport à la pression atmosphérique dans le seuil de coulée est inférieure à 60% de la pression dans la première tuy6re. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le 15 gradient de vitesse de circulation des gaz est tel que la pression totale par rapport à la pression atmosphérique mesurée au trou de coulée (8) est inférieure à 3000 Pa et de préférence à 2900 Pa. 4. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les charges 12, 13, 14 de matériau à fondre sont intro20 duites sous forme de briquettes parallélépipédiques ou cylindriques. 5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les charges 9, 10, 11 de coke sont constituées par do coke du type 60/100. 6. Procédé selon une des revendications précédentes, caracte25 risé en ce qu'une charge initiale (15) de coke est placée avant que ne débute le chargement proprement dit et que la partie inférieure de cette charge est constituée par des blocs 19 de coke de grandes dimensions. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comrporte une enceinte de fusion cylindrique à doubles parois refroidies à l'eau munie d'un fond amovible (5) protégé par un pisé 7, dotée dans sa partie supérieure d'un dispositif de chargement 2, ladite enceinte comportant un trou de coulée 7 et douze tuyères d'insufflage d'air, placées par pai35 res espacées à 60 les unes des autres et munies chacune d'une pompe de régulation du débit.