Brevet FR2654438A1 — publié le 19910517

La présente invention est relative à une plaque de refroidissement utilisée dans des unités métallurgiques dont les parois sont soumises à des flux de chaleur élevés tels que pour des hauts-four- neaux, mais pouvant être utilisée pour des fours ou équipements dont on désire, soit capter les flux calorifiques émis par le four, soit chauffer de manière contrôlée les parois à l'aide de ce même type de plaques. La présente invention a également pour objet une installation de refroidissement mettant en oeuvre ce type de plaques. Les hauts-fourneaux modernes sont de plus en plus exploités à des allures et niveaux de pression tels qute les flux de chaleur émis peuvent être, glo- balement, localement et de manière aléatoire impor- tants, et qu'il est nécesaire de les capter et d'as- surer leur transfert, notamment dans les zones d'étalages, ventre, bas de cuve, mi-cuve et haut de cuve En particulier, dans le cas d'unités autoportantes, il est indispensable que le blindage n'atteigne pas des niveaux de température ou ne subisse pas des variations de température avec formation de contraintes thermomécaniques, pouvant mettre en péril sa tenue aux résistances mécaniques. Les flux thermiques émis dans les différentes zones du haut-fourneau doivent être captés par un système hétérogène formé du revêtement réfractaire, de l'élément refroidisseur, c'est à dire la plaque de refroidissement, du blindage, tel que l'élément refroidisseur remplisse une double fonction de refroidissement énergique du réfractaire et d'écran au passage des flux vers le blindage. L'utilisation de telles plaques de refroi- dissement disposées entre la paroi interne du blindage et le revêtement réfractaire est nécessaire, en raison des variations des flux de chaleur inhérents aux techniques modernes d'ex- ploitation des haut-fourneaux, ces variations pouvant être locales, rapides et aléatoires dans le temps. Dans un autre domaine d'application, les plaques de refroidissement peuvent être portées et maintenues à une certaine température pour remplir des fonctions de chauffage ou de maintien en témpé- rature de corps sous une quelconque forme granulométrique afin d'évacuer leur teneur en eau ou les porter à une température nécessaire à leur utilisation. Les plaques de refroidissement sont constituées d'éléments en fonte parcourus dans leur masse par un réseau de tubes dans lesquels circule un flux de refroidissement qui est en général de l'eau. Ces plaques sont notamment décrites dans les FR-A-2 493 871 et FR-A-2 552 105. Ces tubes de refroidissement débouchent sur une face des plaques de refroidissement et traversent le blindage, à l'extérieur duquel ils sont reliés soit entre eux, soit à des tubes de refroidissement d'une plaque adjacente supérieure ou inférieure Les tubes ainsi reliés déterminent des lignes de circulation du fluide s'élevant dans un plan sensiblement vertical le long de la paroi du haut-fourneau, ces lignes étant raccordées à un circuit extérieur de circulation et de refroidissement du fluide. Les plaques de refroidissement doivent être conçues de façon telle qu'elles assurent un bon échange thermique avec le fluide de refroidissement et avec la paroi réfractaire, tout en créant un écran au flux thermique se propageant du four vers le blindage. De plus, elles doivent résister aux défor- mations et sollicitations thermomécaniques résultant des flux de chaleur élevés, résister à l'abrasion lorsque la paroi réfractaire aura disparu partiel- lement ou totalement et elles doivent pouvoir être changées facilement sans avoir à pénétrer dans l'enceinte du haut-fourneau. Or les plaques de refroidissement connues ne satisfont pas toujours pleinement à ces conditions. En effet, elles ne permettent pas de dispo- ser pour certaines zones sensibles du haut-fourneau d'un écran encore plus efficace au passage des flux thermiques et d'irriguer de manière plus intense les zones angulaires des plaques. D'autre part, elles présentent des imperfec- tions qui conduisent à perdre plus ou moins totale- ment et plus ou moins rapidement la paroi réfrac- taire, ce qui a pour conséquence de mettre les pla- ques en contact avec la charge du haut-fourneau, après seulement quelques années, sans avoir pu bénéficier totalement des qualités physicochimiques des réfractaires utilisés en retardant de manière sensible le moment à partir duquel les plaques se trouvent soumises à des conditions plus contraignan- tes, le mur réfractaire étant disparu. On connait des installations de refroidis- sement notamment de hauts-fourneaux dont les plaques de refroidissement sont constituées d'un élément en fonte de forme sensiblement parallélépipédique, dans lequel sont noyés des tubes longitudinaux disposés parallèlement les uns aux autres, ces tubes débou- chant sur une même face principale, respectivement en partie haute et basse de la plaque de refroidis- sement, dans un fourreau protecteur dont l'une des caractéristiques originales réside dans la forme gaufrée de la face opposée à celle o débouchent les tubes de refroidissement. Les plaques de refroidissement sont garnies de leur paroi réfractaire directement sur le site sidérurgique lors de la construction ou de la réfection d'un haut-fourneau, ce qui ne permet pas de réaliser cette opération avec tout le soin et les contrôles de qualité requis. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant de fournir une installa- tion de refroidissement présentant une fiabilité plus grande, assurant encore de manière plus effi- cace le rôle d'écran au passage des flux allant du four vers le blindage et permettant une mise en place de la paroi réfractaire directement en atelier. La présente invention a ainsi pour objet une plaque de refroidissement notamment d'un haut-four- neau dans laquelle circule un fluide de refroidisse- ment au moyen de tubes internes, caractérisée en ce qu'elle a la forme d'un "C" dont les branches défi- nissent deux margelles horizontales continues entre lesquelles sont insérées des briques en matériau réfractaire. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: l'une des margelles comporte une contre- dépouille de blocage des briques en matériau réfractaire, la brique s'appuyant sur ladite contre- dépouille étant une brique clé bloquant l'ensemble des briques réfractaires. la margelle comportant la contredépouille est située en partie haute de la plaque de refroi- dissement, chaque margelle comporte une nappe horizontale d'au moins un tube de refroidissement en fonction de son emplacement dans le haut-fourneau, chaque margelle comporte sur sa face chaude un insert de profil approprié pour le renforcement de ladite face chaude, l'insert est en carbure de silicium. La présente invention a également pour objet une installation de refroidissement notamment d'un haut-fourneau à l'aide de plaques de refroidissement définies ci-dessus, lesdites plaques de refroidisse- ment étant disposées en couronnes successives superposées le long de la paroi interne du blindage du haut-fourneau et étant traversées par des tubes internes o circule un fluide de refroidissement, les entrées et les sorties desdits tubes internes étant situées à des niveaux différents, les tubes internes de deux plaques adjacentes dans un plan vertical étant reliés entre eux de façon à définir un réseau de lignes de circulation verticales du fluide, relié à un circuit extérieur, caractérisée en ce que les plaques de chaque couronne sont, par rapport aux plaques de la couronne adjacente, décalées dans un plan horizontal d'au moins un tube de refroidissement de façon à former sur la majeure partie de la surface desdites plaques des lignes de longueurs identiques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la Fig 1 est une vue schématique générale de l'installation de refroidissement adaptée à un haut-fourneau, la Fig 2 est une vue en élévation laté- rale d'une plaque de refroidissement, la Fig 3 est une vue de la face arrière de la plaque de refroidissement de la Fig 1, la Fig 4 est une vue de dessus de la plaque de refroidissement de la Fig 1, la Fig 5 est une vue développée partielle du réseau de lignes de circulation du fluide de refroidissement sur une partie de la circonférence totale du haut fourneau, la Fig 6 est une vue partielle en élévation latérale montrant la fixation de deux plaques de refroidissement sur le blindage du haut- fourneau. L'installation représentée à la Fig 1 comporte un haut fourneau 1, contre la paroi interne duquel sont placées des plaques de refroidissement dont seule les conduites internes ont été représen- tées reliées les unes aux autres par la référence générale 2 Les plaques de refroidissement compor- tent en effet des tubes internes qui débouchent à différents niveaux aux parties haute et basse de ces dernières, et sont reliées à la plaque adjacente immédiatement supérieure et à la plaque adjacente immédiatement inférieure dans un plan vertical, pour définir une ligne de circulation constituée par l'ensemble des tubes internes reliés entre eux. Une conduite circulaire d'alimentation 3, entourant le haut fourneau à sa partie inférieure, comporte un ensemble de conduites individuelles d'alimentation 4 qui sont respectivement branchées aux entrées 5 des lignes de circulation 2 Une conduite circulaire de retour 6, entourant le haut- fourneau à un niveau supérieur, comprend égalément un ensemble de conduites individuelles de retour 7 branchées aux sorties 8 des lignes de circulation. Cet ensemble de lignes de circulation verticales constitue un réseau placé le long du blindage du haut-fourneau qui est relié respectivement à sa partie basse à la circulaire d'alimentation 3 et à la partie haute à la circulaire de retour 6. ce réseau de lignes de circulation est relié à chacune de ses extrémités par l'intermédiaire des circulaires d'alimentation 3 et de retour 6 à un circuit extérieur, non représenté. Sur la Fig 1, on a représenté, dans un but de simplification, qu'une circulaire d'alimentation et une circulaire de retour pour une ligne de circulation du fluide réfrigérant. En fait, le fluide de refroidissement, qui dans la suite de la description sera considéré à titre non limitatif comme étant de l'eau, est introduit à différents niveaux dans un même plan vertical suivant des rangs différents des plaques de refroidissement. Comme représenté sur les Figs 2 à 4, chaque plaque de refroidissement 20 est constituée d'un élément en fonte de forme sensiblement parallélé- pipédique ayant la forme d'un "C" dont la partie centrale constitue le corps 21 de la plaque et dont les deux branches définissent en partie haute et basse une margelle respectivement 22 et 23 horizontale et continue. Dans le corps 21 de la plaque 20 sont noyés des tubes longitudinaux 24 a, 24 b, 24 c disposés verticalement, parallèlement les uns aux autres et par exemple au nombre de cinq (Fig 3). Sur la face arrière de la plaquc 20 débouchent les entrées 25 a, 25 b, 25 c et les sorties 26 a, 26 b, 26 c des tubes de refroidissement 24 a, 24 b, 24 c Les entrées 25 a, 25 b, 25 c et les sorties 26 a, 26 b, 26 c sont réparties sur trois niveaux de façon à définir dans le corps 21 une alternance de tubes courts 24 a, 24 c et 24 e et de tubes longs 24 b et 24 d. Chaque margelle 22 et 23 est refroidie par exemple par deux tubes transversaux respectivement 27 a, 27 b et 28 a, 28 b disposés horizontalement dont les entrées 270 a, 270 b et 280 a, 280 b et les sorties 271 a, 271 b et 281 a, 281 b débouchent sur la face arrière de la plaque de refroidissement. Les tubes horizontaux 25 a, 27 b et 28 a et 28 b permettent de refroidir de façon plus intense les angles de la plaque de refroidissement 20. Le nombre de tubes horizontaux est fonction de la position de la plaque de refroidissement 20 dans le haut-fourneau. La section des tubes horizontaux 27 a, 27 b, 28 a et 28 b est telle que l'on puisse par des vitesses de circulation suffisantes, supérieures à 2 m/s, capter les flux émis sans nécéssiter des débits importants, ni engendrer des pertes de charge anormalement élevées. La vitesse de circulation du fluide de refroidissement dans les tubes verticaux 24 a, 24 b, 24 c peut être ajustée en fonction d'un module de refroidissement. La face avant de la plaque 20 située entre les margelles 22 et 23 comporte un gaufrage 30 (Fig. 2) dont les ondes sont remplies avec un produit 31 réfractaire bon conducteur de faible granulométrie. L'épaisseur des margelles 22 et 23 est de l'ordre de 200 mm Au moins une des margelles, par exemple la margelle 22 dans l'exemple représenté à la Fig 2, comporte une contredépouille 22 a permet- tant de bloquer les briques 32 par exemple en car- bure de silicium lié au nitrure et formant la paroi réfractaire. La brique 32 a s'appuyant sur la contre- dépouille 22 a est une brique clé bloquant l'ensemble des briques réfractaires. Grâce à la forme en "C" de la plaque de refroidissement 20 les briques 32 peuvent être montées directement en atelier lors de la fabrication des plaques avec tout le soin et les contrôles de qualité requis, qui ne peuvent être parfaitement appliqués lors de la période habituelle de la construction ou réfection des parois réfrac- taires des hauts-fourneaux sur le site sidérurgique. Ainsi, cette nouvelle génération de plaques de refroidissement permet d'obtenir un meilleur contact entre la fonte et le réfractaire, une assurance qualité de mise en oeuvre des réfractaire et un gain de temps lors des opérations de construction ou réfection des hauts-fourneaux. Chaque margelle 22 et 23 comporte sur sa face chaude un insert 33, par exemple en carbure de silicium, en particulier de section droite trapezoî- dale à queue d'aronde, de renforcement de ladite face chaude (Fig 2). Si l'on se reporte à la Fig 5, on constate que les plaques de refroidissement 20 sont disposées en couronnes successives A, B, C superposées le long de Le paroi interne du blindage du haut-four neau et les tubes internes 24 de deux plaques adjacentes dans un plan vertical sont reliés entre eux de façon à définir un réseau de lignes de circulation verticales du fluide, relié au circuit extérieur. Comme on peut le voir sur la Fig 5, les plaques 20 d'une couronne sur deux, par exemple les plaques 20 des couronnes B et D, sont décalées dans un plan horizontal, par rapport aux plaques 20 de la couronne adjacente supérieure A et C, d'un tube de circulation du fluide de refroidissement de façon à former sur la majeure partie de la surface déter- minée par lesdites plaques de refroidissement des lignes 40 de longueurs identiques. Cette définition permet d'obtenir une répartion uniforme du fluide de refroidissement. En se reportant maintenant à la Fig 6 on va décrire la fixation des plaques 20 sur le blindage 41 du haut-fourneau. Chaque plaque 20 est fixée sur le blindage 41 à l'aide, d'une part, d'un point fixe 42 par exemple en partie basse en pression contrôlée sur des joints continus 43 en élastomère et produits isolants de remplissage 44 et, d'autre part, d'un point mobile 45 avec des compensateurs d'étanchéité 46 par exemple en partie haute de ladite plaque 20 en pression contrôlée sur des joints discontinus 47 en élastomère et produits isolants de remplissage 44. Des rondelles soudées 48 sont prévues entre les entrées 25 des tubes 24 et le blindage 41 au niveau des points fixes 42, tandis que des rondelles glissantes 49 sont prévues entre les sorties 26 des tubes 24 au niveau des points mobiles 45. Ces dispositifs permettent le mouvement relatif entre les plaques 20 et le changement éven- tuel de ces dernières en fin de campagne du haut- fourneau, dans un délai très court sans avoir à pénétrer à l'intérieur de celui-ci. Entre deux plaques de refroidissement adjacentes 20 sont prévus des joints 50 qui sont montés après mise en place desdites plaques sur le blindage 41 Ces joint 50 sont constitués par exemple d'un mastic fibreux. L'installation selon la présente invention permet de disposer pour certaines zones sensibles du haut-fourneau d'un écran encore plus éfficace au passage du flux thermique, d'irriguer de manière plus intense les zones angulaires des plaques et d'éviter la création d'interfaces plus ou moins larges préjudiciables au transfert thermique et phénomène de conduction à travers l'ensemble formé par les plaques et la paroi réfractaire. De plus, la forme particulière des plaques de refroidissement évite la désolidarisation du revêtement réfractaire de son appui sur la face chaude ce qui permet de bénéficier totalement des qualités physico-chimiques des réfractaires. 1 2 REVEND ICAT IONS 1 Plaque de refroidissement notamment d'un haut-fourneau dans laquelle circule un fluide de refroidissement au moyen de tubes internes ( 24 a, 24 b, 24 c), caractérisée en ce qu'elle a la forme d'un "C" dont les branches définissent deux margel- les horizontales continues ( 22 et 23) entre les- quelles sont insérées des briques ( 32) en matériau réfractaire. 2 Plaque de refroidissement selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que l'une des margel- les ( 22, 23) comporte une contredépouille ( 22 a) de blocage des briques ( 32) en matériau réfractaire, la brique ( 32 a) s'appuyant sur ladite contredépouille ( 22 a) étant une brique clé bloquant l'ensemble des briques réfractaires. 3 Plaque de refroidissement selon la reven- dication 2, caractérisée en ce que la margelle ( 22) comportant la contredépouille ( 22 a) est située en partie haute de ladite plaque de refroidissement ( 20). 4 Plaque de refroidissement selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que chaque margelle ( 22, 23) comporte une nappe horizontale d'au moins un tube de refroidissement ( 27 a, 27 b, 28 a, 28 b) en fonction de son emplacement dans le haut-fourneau ( 1). Plaque de refroidissement selon l'une des revendication 2 à 4, caractérisée en ce que chaque margelle ( 22, 23) comporte sur sa face chaude un insert ( 33) de profil approprié pour le renforcement de ladite face chaude. 6 Plaque de refroidissement selon la reven- dication 5, caractérisée en ce que l'insert ( 33) est en carbure de silicium. 7 Installation de refroidissement notamment d'un haut fourneau à l'aide de plaques de refroidis- sement selon l'une des revendications précédentes, lesdites plaques de refroidissements ( 20) étant dispbtées en couronnes successives superposées le long de la paroi interne du blindage ( 41) du haut-fourneau ( 1) et étant traversées par des tubes internes ( 24 a, 24 b, 24 c) o circule un fluide de refroidissement, les entrées ( 25 a, 25 b, 25 c) et i.es sorties ( 26 a,26 b, 26 c) desdits tubes internes étant situées à des niveaux différents, les tubes internes ( 24 a, 24 b, 24 c) de deux plaques adjacentes ( 20) dans un plan vertical étant reliés entre eux de façon à créer un réseau de lignes ( 40) de circulation sensiblement verticales du fluide, relié à un circuit extérieur, caractérisée en ce que les plaques ( 20) de chaque couronne sont, par rapport aux plaques ( 20) de la couronne adjacente, décalées dans un plan horizontal d'au moins un tube de refroidissement de façon à former sur la majeure partie de la surface desdites plaques ( 20) des lignes ( 40) de longueurs identiques. 8 Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque plaque de refroidis- sement ( 20) est fixée en pression contrôlée contre le blindage ( 41) du haut-fourneau à l'aide, d'une part, de points fixes ( 42) en partie basse ou haute de ladite plaque ( 20) sur des joints continus ( 43) en élastomère et produits isolants de remplissage ( 44) et, d'autre part, de points mobiles ( 45) avec compensateur d'étanchéité ( 46) en partie haute ou en partie basse de ladite plaque ( 20) sur des joints discontinus ( 47) en élastomère et produits isolants de remplissage ( 44).