Brevet FR2634543A1 — publié le 19900126

DISPOSITIF D'INJECTION D'AIR PRECHAUFFE DANS UN FOUR A CUVE La présente invention concerne un dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve, constitué de plusieurs éléments distincts consistant en un blindage extérieur et un revêtement réfractaire intérieur et comprenant au moins un élément tubulaire central relié, d'un côté, par une première articulation a joint sphérique et un premier compensateur à une première tubulure solidaire d'une conduite circulaire d'alimentation en air préchauffé entourant le four et, du côté opposé, par une seconde articulation à joint sphérique et un second compensateur à une seconde tubu- lure qui est prolongée par un coude et un busillon, ce dernier étant articulé par une troisième articulation à joint sphérique par rapport à la paroi du four et comprenant, en outre, au moins une paire de tirants reliant, par des moyens articulés, la première tubulure à la seconde tubulure et dans lequel ladite première articulation est orientée de manière que son centre de courbure se trouve sur l'axe de ladite première tubu- lure à l'intérieur de celle-ci. Ces dispositifs, plus généralement connus sous le nom de "porte-vent" sont exposes à des problèmes de mobilité et d'étanchéité. En effet, par suite de la température élevée de l'air préchauffé (température de l'ordre de 1 200 C ou plus) et de la temp6rature élev6e régnant à l'intérieur du four, la paroi de ce dernier, ainsi que la conduite circulaire et le porte-vent sont exposes a des dilatations et déformations thermiques causant des déplacements relatifs non négligeables entre la conduite circulaire et la paroi du four. Il faut donc que le porte-vent soit en mesure de compenser ces déplacement relatifs tout en évitant des fuites de gaz ou d'air préchauffé. Pour répondre à ces exigences, le brevet US No 3766868 propose un portevent du genre décrit dans le préambule. Ce porte-vent a, par la suite, été perfec- tionné par la conception d'articulations universelles à joints sphériques du genre décrit dans le document DE- C2-2218331. Les trois articulations de ce porte-vent permettent la compensation de tous les mouvements rela- tifs entre la conduite circulaire et la paroi du four. L'étanchéité au niveau des articulations est assurée par des compensateurs à soufflets, alors que la stabi- lité mécanique est assurée par des liaisons à cardans associées au niveau de la première et de la seconde articulation à joint sphérique aux deux extrémités opposées de l'élément tubulaire central. Pour réduire l'amplitude des déplacements angulaires de l'élément central et soulager ainsi les compensa- teurs, il est souhaitable que la distance entre les centres d'articulation de cet élément soit aussi grande que possible. D'un autre cÈté, pour réduire l'encombrement et le coût du porte-vent, il est souhai- table d'en réduire les dimensions. Le but de la présente invention est de prévoir un dispositif d'injection du genre décrit dans le préambule qui permet un meilleur compromis entre ces exigences contraires. Pour atteindre cet objectif, le dispositif proposé par la présente invention est essentiellement caracté- risé en ce que la seconde articulation est orientée dans le sens opposé par rapport à la première articula- tion et en ce que son centre de courbure se trouve sur l'axe de la seconde tubulure, à l'intérieur de celle-ci ou du coude. En orientant les deux articulations de l'élément central dans des directions opposées, il est possible de réduire substantiellement la longueur de cet élément central tout en conservant la même distance entre les centres de ses deux articulations. Selon un premier mode de réalisation, les tirants sont reliés aux deux tubulures par des articulations, dont les centres se trouvent respectivement dans deux plans diamétraux des tubulures, contenant chacun le centre de courbure de l'une desdites première ou seconde articulation sphérique. Selon un autre mode de réalisation, l'extrémité de chacun des tirants est reliée à une bride desdites première ou deuxième tubulure par une paire de ron- delles à surfaces de glissement adjacentes sphériques, dont le centre de courbure est situé au-delà de l'extrémité du tirant dans un plan diamétral de la tubulure contenant le centre de courbure de ladite première ou seconde articulation sphérique. Selon un mode de réalisation avantageux l'élément tubulaire central est relié aux tirants par un dispositif de guidage et de support de l'élément central. D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation avantageux, présentés ci- dessous, à titre d'illustration, en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un porte-vent classique selon le brevet US 3766868; La figure 2 représente une vue analogue d'un porte- vent conformément à la présente invention; Les figures 3 et 4 représentent deux coupes verti- cales perpendiculaires l'une à l'autre d'un premier mode de réalisation de la partie centrale du porte-vent selon la présente invention. Les figures 5 à 8 représentent des vues analogues à celles des figures 3 et 4 et illustrant les différents déplacements de l'élément tubulaire central par rapport aux tubulures adjacentes; La figure 9 illustre un second mode de réalisation de l'élément central; La figure 9a, montre en détail, une partie agrandie de la figure 9; Les figures 10 et 11 montrent la partie centrale du porte-vent suivant deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, d'un troisième mode de réalisation; La figure 12 est une vue schématique en coupe correspondant à celle de la figure 10; La figure 13 est une vue analogue à celle de la figure 10 montrant un désaxement des tubulures supé- rieures et inférieures; La figure 14 représente une vue analogue à celle de la figure 10 en cas d'inclinaison de la tubulure inférieure par rapport à la tubulure supérieure et Les figures 15 à 17 montrent des vues schématiques en coupe correspondant à la figure 11 et représentant respectivement les différentes sections en alignement et en désaxement. Le porte-vent connu représenté sur la figure 1 par la référence 20 relie une conduite circulaire princi- pale 22, aménagée autour d'un haut fourneau, à la paroi 24 de celui-ci. Ce porte-vent 20 comporte une section oblique rectiligne constituée d'un élément tubulaire central 26 articulé par son extrémité supérieure sur une tubulure 28 solidaire de la conduite circulaire 22 et par son extrémité inférieure sur une tubulure 30 qui est bridée sur un coude 32. Ce coude 32 est prolongé par un busillon 34 dont l'extrémité est articulée sur une tuyère 36 fixée dans la paroi 24 du four. L'articulation supérieure 38 et l'articulation infé- rieure 40 de l'élément 26 sont des articulations à joint sphérique dont les centres de courbures sont identifiés par X et Y. De même l'articulation entre le busillon 34 et la tuyère 36 est une articulation 42 à joint sphérique dont le centre de courbure est repré- senté par Z. Les trois points X,Y et Z constituent par conséquent une articulation à trois points dans l'espace qui permet des déplacements angulaires suffisants du busillon 34 et de l'élément central 26 pour compenser tous les mouvements relatifs entre la conduite circulaire 22 et la paroi 24 du four. L'étanchéité au niveau des articulations 38 et 40 est assurée par des compensateurs à soufflet 44, 46 fixés respectivement sur l'élément tubulaire 26 et les tubulures adjacentes 28 et 30. La stabilité mécanique est assurée par des articulations a cardans 48, 50 reliant également l'élément central 26 aux tubulures adjacentes 28 et 30. Tous les éléments du porte-vent sont constitués d'un blindage métallique extérieur et d'un revêtement réfractaire intérieur associé éventuel- lement à une matière d'étanchéit6 au niveau des articu- lations 38, 40 et 42. La distance entre les centres de courbure X et Y des articulations 38 et 40 est représentée par 1 sur la figure 1. Les amplitudes des déplacements angulaires de l'élément central 26 et, par conséquent, les sollicita- tions des compensateurs 44 et 46 seront d'autant plus petites que cette distance 1 est plus grande. Par contre, l'allongement de la longueur 1 augmente les dimensions du porte-vent. Conformément à la présente invention l'articulation inférieure de l'élément tubulaire central est retourné de sorte que les deux extrémités supérieure et infé- rieure de cet élément central deviennent concaves, alors que les extrémités adjacentes correspondantes des tubulures de la conduite circulaire et celle du coude deviennent convexes. Ce porte-vent proposé par la présente invention est représenté sur la figure 2 et les éléments correspondants à ceux de la figure 1 portent les références analogues de la série 100. Comme on peut le constater d'après cette figure 2, les centres de courbure X et Y des articulations sphériques 138 et 140 sont séparés d'une distance 1' qui, dans l'exemple représenté, est égale à la distance 1 de la figure 1. Par contre, la longueur totale de l'élément central 126 a été considérablement réduite, la diffé- rence de longueur étant illustrée par la distance entre l'axe O' de la conduite circulaire de la figure 2 et l'emplacement de l'axe O du portevent de la figure 1, qui a également été représenté sur la figure 2. Ce raccourcissement du porte-vent 120 permet, par consé- quent, un abaissement de la conduite circulaire 122 et un rapprochement de celle-ci de la paroi du four. Il en résulte, bien entendu, une diminution de l'encombrement et une réduction du coût de fabrication du porte-vent. Il serait également possible de conserver la longueur de l'élément central 26 de la figure 1, ce qui permettrait un allongement de la distance 1 entre les centres X et Y des articulations sphériques 38 et 40, c'est-à-dire une diminution de l'amplitude des déplace- ments angulaires de cet élément. Les figures 3 et 4 montrent plus en détail les deux articulations 138 et 140 de part et d'autre de l'élément tubulaire central 126. Les rayons de courbure Rl et R2 des deux articulations sphériques 138 et 140 sont de préférence égaux. La présente invention propose également la suppres- sion des articulations à cardans 48 et 50 de la figure 1. Toutefois, étant donné que les compensateurs 144, 146 ne sont pas en mesure de supporter le poids du porte-vent, on a prévu une paire de tirants diamétrale- ment opposés l'un à l'autre et reliant la tubulure supérieure 128 à la tubulure inférieure 130. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, ces tirants 152, 154 sont simplement engagés sur des pivots 156 solidaires des tubulures 128 et 130. Toutefois, pour permettre la mobilité nécessaire décrite en référence aux figures suivantes, les tirants 152, 154 doivent être engagés sur les pivots 156 avec suffisamment de jeu. Pour permettre cette mobilité il est également nécessaire que l'axe des deux pivots 156 de la tubulure 128 passe par le centre de courbure X de l'articulation supérieure 138. De même, les pivots inférieurs 156 doivent être fixés sur la tubulure 130 de manière que leurs axes passent également par le centre de courbure Y de l'articulation inférieure 140. Les figures 5 à 8 illustrent différentes possibili- tés de mobilité du porte-vent. La figure 5 illustre, l1 par exemple, un décalage latéral relatif, d'une ampli- tude s entre la tubulure supérieure 128 et la tubulure inférieure 130. Un tel décalage peut, par exemple, être occasionné par un déplacement horizontal de la conduite circulaire 122 par rapport au four ou une rotation de cette conduite par rapport au four. Comme le montre la figure 5, les axes des tubulures 128 et 130 restent parallèles l'un à l'autre tandis que l'élément central 126 compense ce décalage en se plaçant de manière que son axe passe par les centres de courbures X et Y des deux articulations 138 et 140. Ce mouvement provoque, d'un c8té, une compression des ondulations des compen- sateurs 144 et 146 et une détente des ondulations de ces compensateurs du côté opposé. Les figures 6 et 7 montrent des flexions, respecti- vement dans un sens et dans le sens opposé du porte- vent au niveau de l'élément central 126. Dans chacun des cas l'axe de la tubulure inférieure 130 est incliné dcun angle par rapport à l'axe de la tubulure supé- rieure 128. Cette flexion est compensée par l'élément central 126 qui se place automatiquement de manière que son axe passe par les centres de courbure X et Y des deux articulations, c'est-à-dire que son axe forme un anglet/2 avec l'axe de la tubulure supérieure 128 et un angle o4/2 avec l'axe de la tubulure inférieure 130. Les positions des figures 6 et 7 résultent essentielle- ment d'un mouvement relatif vertical entre la conduite circulaire 122 et la paroi 124 du four. La figure 8 montre un décalage latéral entre les tubulures supérieure et inférieure 128 et 130 analogue à celui de la figure 5, mais dans une direction perpendiculaire aux mouvements de la figure , c'est-à-dire que le décalage de la figure 8 se situe dans le plan de la figure 2. Il est à noter que les figures 5 à 8 montrent, à titre d'illustration, des mouvements élémentaires, mais dans la pratique, les mouvements du porte-vent sont-plus complexes, c'est-a- dire que les décalages et inclinaisons représentés sur les figures 5 à 8 peuvent se produire en même temps. La figure 9 montre un mode de réalisation avantageux qui permet un raccourcissement des tirants du mode de réalisation de la figure 3. Dans ce mode de réalisation de la figure 9, les deux tubulures 228 et 230 comportent respectivement une bride circulaire 258 et 260 auxquelles sont rattachés les compensateurs 244, 246 et qui sont traversées par des tirants 252, 254. La connexion entre les extrémités des tirants 252, 254 et les brides 258 et 260 est illustrée en détail sur la figure 9a et en référence a la connexion entre le tirant 254 et la bride 258, les trois autres connexions étant identiques a celle de la figure 9a. La bride 258 comporte une ouverture de passage 262 du tirant 258 qui est suffisamment large pour permettre une certaine inclinaison du tirant 254 par rapport à la bride 258 par suite des mouvements illustrés sur les figures 5 à 8. Le maintien des tirants est assuré par des écrous 264 vissés sur les extrémités des tirants, à l'extérieur des brides 258, 260. Entre chaque écrou 264 et la bride correspondante 258 ou 260 se trouvent deux rondelles 266, 268 dont les surfaces adjacentes glissent l'une sur l'autre par suite de l'inclinaison du tirant par rapport à la bride. Selon la particula- rité de ce mode de réalisation les surfaces adjacentes de glissement des rondelles 266, 268 ont des courbures sphériques dont le centre de courbure est situé au-delà des brides 258, 260 sur l'axe des tirants 252, 254 ou sur le prolongement de ces axes. Le centre de courbure des rondelles 266, 268 doit, en outre, être situé dans un plan diamétral de la tubulure 228 contenant le centre de courbure X de l'articulation sphérique 238 entre cette tubulure 228 et l'élément central 226. Il est à noter que les deux rondelles 266 et 268 peuvent être remplacées respectivement par une assise solidaire de la bride 258 et une surface bombée de l'écrou 264. L'avantage de la conception selon les figures 9 et 9a est que l'on peut, soit rapprocher chacune des brides 258, 260 de l'élément central 226 d'une distance R correspondant au rayon de courbure des rondelles 266, 268 et réduire de 2R la longueur de chacun des tirants 252, 254, soit augmenter les rayons de courbure des deux articulations sphériques 238, 240 et allonger ainsi la distance entre leur centre de courbure X et Y. Les figures 5 à 8 ont montré que la compensation des différents mouvements relatifs entre la tubulure supé- rieure et inférieure est réalisée par un alignement de l'axe de l'élément central sur les centres de courbure X et Y des deux articulations sphériques. Il est proposé, dans le mode de réalisation des figures 10 à 17 d'assister le positionnement optimal de l'élément central 226 pour éviter tous mouvements aléatoires et frottements superflus au niveau des joints des articulations. Les figures 10 et 11 montrent des vues latérales de l'élément tubulaire central 326 muni, de part et d'autre, de ses compensateurs 344, 346 entourant les joints sphériques 338 et 340, non visibles sur ces figures. Un cadre 352, p.ex. carré ou, de préférence, en forme d'anneau est dispos6 autour de l'élément central 326 auquel il est articulé par deux pivots 354 et 356, diamétralement opposés, p.ex. logés dans des ouvertures de passage de l'anneau 352 et du blindage de l'élément central 326. L'anneau 352 peut donc effectuer un mouve- ment de pivotement par rapport à l'axe commun O des deux pivots 354, 356 et vice versa. L'anneau 352 comporte, en outre, décalé de 90 par rapport aux pivots 354, 356, deux articulations diamétralement opposées, le reliant à deux tirants 358, 360. Ces arti- culations peuvent être constitu6es, de la manière la plus simple, par deux paires de fourches 362 et 364 soudées extérieurement sur l'anneau 352 et dans le creux arrondi desquelles est engag6 un croisillon 366, 368 à section ronde, solidaire des tirants 358, 360. Les axes des croisillons 366, 368 forment donc deux axes de pivotement entre l'anneau 352, d'une part, et les tirants 358, 360, d'autre part, et vice versa, ces deux axes 6tant tous les deux paralleles à l'axe de pivotement O décrit ci-dessus. Chacun des deux tirants, 358, 360 est, en outre, articulé par ses extrémités supérieures et inférieures respectivement aux tubulures supérieures 328 et infé- rieures 330. Chacune de ces articulations peut être constituée par une simple charnière 370 comprenant un moyeu de pivotement 372 engagé à travers un double oeillet solidaire de la tubulure concernée et une ouverture au bout du tirant 358 ou 360. Les ouvertures de passage aux extrémités des tirants 358, 360 sont exécutés en trous oblongs et comportent, de préférence, des surfaces d'appui arrondies afin de permettre également des pivotements des tirants 358, 360 dans la plan de la figure 11. Les charnières 372 peuvent également être remplacées par des articulations plus sophistiquées,- p.ex. des rotules pour réaliser un arrangement conforme à la figure 9. Les tirants 358 et 360 maintiennent, par conséquent, une distance constante et prédéterminée entre les tubu- lures 328 et 330, alors qu'ils portent, par l'intermédiaire de l'anneau 352, l!élément central 326 de manière flottante entre les tubulures 328 et 330. Les figures 12 à 17 illustrent différentes possibi- lités de mouvements et pivotements relatifs entre les tubulures 328 et 330 et la manière dont ces mouvements sont compensés par un positionnement correspondant de l'élément central 326. Les mouvements et pivotements relatifs entre les tubulures 328 et 330 qui sont illustrés sur les figures 12 à 14 sollicitent uniquement les articulations au niveau des charnières 372 entre les tirants 358, 360 et les tubulures, alors que les articulations au niveau de l'anneau 352 ne sont pas sollicités car, comme le montrent les figures 12 et 13, celui-ci garde, par rapport aux tirants et à l'élément central 326 sa position diamétrale neutre de la figure 10. Par contre, les déformations transversales par rapport au plan des figures 12 à 14 et illustrées par les figures 15 à 17 sollicitent les articulations au niveau de l'anneau 352. Comme le montre plus particu- lièrement les figures 16 et 17, les déplacements dans ce plan occasionnent une déformation parallèle entre les tirants 358, 360 et l'anneau 352 par pivotement de ce dernier autour de l'axe O par rapport à l'élément central 326 et par pivotement relatif entre l'anneau 352 et les tirants 358, 360. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve constitué de plusieurs éléments distincts consistant en un blindage extérieur et un revêtement réfractaire intérieur et comprenant au moins un élément tubulaire central (126) relié, d'un côté, par une première articulation (138) à joint sphérique et un premier compensateur (144) à une première tubulure (128) solidaire d'une conduite circulaire (122) d'alimentation en air préchauffé entourant le four et, du côté opposé, par une seconde articulation (140) a joint sphérique et un second compensateur (146) à une seconde tubulure (130) qui est prolongé par un coude (132) et un busillon (134), ce dernier étant articulé par une troisième articulation (142) à joint sphérique par rapport à la paroi (124) du four et comprenant, en outre, au moins une paire de tirants (152, 154) reliant par des moyens articulés, la première tubulure (128) à la seconde tubulure (130) et dans lequel ladite première articulation (138) est orientée de manière que son centre de courbure (X) se trouve sur l'axe de ladite première tubulure (128), à l'intérieur de celle- ci, caractérisé en ce que ladite seconde articulation (140) est orientée dans le sens opposé par rapport à ladite première articulation (138) et en ce que son centre de courbure (Y) se trouve sur l'axe de ladite seconde tubulure (130) à l'intérieur de celle-ci ou du coude (132). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tirants (152, 154) sont reliés aux deux tubulures (128, 130) par des articulations, dont les centres se trouvent respectivement dans deux plans diam6traux des tubulures (128, 130) contenant chacun le centre de courbures (X), (Y) de l'une desdites première ou seconde articulations sphériques (138, 140). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémit6 de chacun des tirants (252, 254) est reli6 à une bride (258, 260) desdites premières ou deuxièmes tubulures (228, 230) par une paire de rondelles (266, 268) à surfaces de glissement adjacentes sphériques, dont le centre de courbure est situé au-delà de l'extrémité du tirant (252, 254) dans un plan diamétral de la tubulure (228, 230), contenant le centre de courbures (X),(Y) de ladite première ou seconde articulation sphérique (238, 240). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément tubulaire central (326) est relié aux tirants (358, 360) par un dispositif de guidage et de support de l'élément central (326). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de guidage et de support est constitué par un cadre (352) disposé autour de l'élément central et articulé par deux points cardinaux opposes à cet élément central (326) et par les deux autres points cardinaux opposés aux deux tirants (358), (360). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cadre (352) est en forme d'anneau. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les articulations aux quatre points cardinaux du cadre (352) sont des articulations permettant des pivotements autour de trois axes paralleles entre eux et perpendiculaires à un plan défini par les axes longitudinaux des tirants.