Brevet FR2740475A1 — publié le 19970430

La présente invention est relative à un procédé de traitement, de conditionnemnt de la zone, aussi bien interne qu'externe, du trou de coulée d'un haut fourneau. Il vise également à permettre le rebouchage de ce trou de coulée. La production de fonte par réduction d'un minerai de fer au sein d'un haut fourneau est une opération continue qui globalement consiste à introduire une masse de minerai de fer et de coke dans la partie supérieure d'un haut fourneau à insuffler par l'intermédiaire de tuyères un courant gazeux pour entretenir la combustion et à récolter périodiquement en partie basse du haut fourneau au niveau d'un trou de coulée, tout d'abord de par sa densité plus importante, la fonte qui s'écoule, puis le laitier dont la densité est nettement plus faible. Lors de la coulée d'un haut fourneau, le gaz chaud injecté aux tuyères donne à l'intérieur de l'appareil, au niveau du creuset une pression statique comprise entre 2 et 5kg/cm2, cette pression qui s'ajoute à la pression ferrostatique due aux hauteurs des bains de fonte et de laitier permet à l'ouverture des trous de coulée d'évacuer la fonte et le laitier liquides à travers le massif poreux de morceaux de coke qui occupe le creuset. Après l'ouverture du trou de coulée, le débit d'évacuation de la fonte et du laitier devient rapidement supérieur aux débits de production de haut fourneau et les niveaux de fonte et de laitier baissent dans le creuset pendant la coulée. Lorsque le niveau du laitier atteint le point bas du trou de coulée, le gaz peut sortir vers l'extérieur et la pression statique due au gaz diminue rapidement. La sortie du gaz marque la fin de la coulée et impose de reboucher rapidement le trou de coulée. Le procédé, objet de l'invention, vise donc à reboucher le trou de coulée de façon - à interrompre la sortie de gaz, - à remplir le trou proprement dit, - à reconstituer un champignon interne le plus important possible, car il est impératif, lors du perçage du trou de coulée pour le prélèvement suivant, d'aller chercher la fonte et le laitier le plus loin possible de cette paroi à l'intérieur du creuset et d'éviter ainsi les phénomènes d'érosion de la paroi tout en favorisant un écoulement plus homogène des liquides du creuset. De manière connue, le rebouchage du trou de coulée s'effectue au moyen d'une machine (boucheuse) qui injecte dans ce dernier une masse plastique. Les différentes étapes sont les suivantes - on applique la boucheuse au droit de la sortie externe du trou de coulée, - le passage du gaz est brusquement interrompu et la pression se rétablit immédiatement à l'intérieur du trou de coulée avec comme conséquences * les niveaux de fonte et de laitier se rétablissent rapidement à l'horizontale remplissant partiellement le trou de coulée, * les gaz ne traversent plus le massif de coke à proximité du débouché interne du trou de coulée, c'est-à-dire que ce massif de coke se remplit progressivement de fonte et laitier en fusion qui occupent donc les espaces libres entre les morceaux de coke. Le but recherché par l'injection de masse de bouchage est de repousser, vers l'intérieur du haut fourneau et le plus loin possible de la couche de matière réfractaire formant l'enveloppe du haut fourneau, la fonte, le laitier et les morceaux de coke qui obstruent la partie interne du trou de coulée pour reconstituer le champignon. A l'heure actuelle, les bouchages se font avec des mélanges plus ou moins complexes et hétérogènes de liants et de produits minéraux qui constituent un compromis pour remplir les différentes fonctions demandées, c'est-à-dire bouchage, tenue à la coulée et protection interne du creuset. Ce compromis fait que l'on ne peut pas optimiser les trois fonctions avec un seul produit ou une combinaison de produits injectés simultanément. Ainsi, par exemple, les masses ayant une bonne tenue à la coulée vont difficilement conserver suffisamment longtemps leur plasticité pour pouvoir pénétrer les trous entre les morceaux de coke et intégrer les morceaux de coke dans la constitution du champignon coke. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients, en proposant - un procédé qui améliore l'action de la masse de bouchage le long du trou de coulée par le passage de produits précurseurs à la masse de bouchage proprement dite et assurant les fonctions de traitement, de conditionnement et de préparation, préalablement au passage de la masse de bouchage, - une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé c'est-à-dire l'injection préalable des produits précurseurs, - des compositions de masse de bouchage proprement dites et de traitement et de conditionnement, utilisées dans une installation mettant en oeuvre le procédé et qui permettent de réduire les niveaux de contrainte imposés aux masses de bouchage en pré conditionnant le trou de coulée et le massif de coke immédiatement avant l'injection de la masse. A cet effet, le procédé de réfection d'un trou pratiqué au sein d'un massif réfractaire d'un réacteur thermique ou métallurgique, objet de l'invention se caractérise en ce qu'on injecte préalablement à la masse de bouchage proprement dite un produit ou un mélange de produits qui assure le traitement et le conditionnement du trou et éventuellement du massif de matière au débouché de ce trou à l'intérieur du réacteur, pour permettre une exploitation optimale des propriétés de la masse de bouchage. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en coupe et de face d'un nez de boucheuse selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est une vue en coupe et de face d'un nez de boucheuse selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue en coupe et de face d'un nez de boucheuse selon un troisième mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue en coupe et de face d'un nez de boucheuse selon un quatrième mode de réalisation - la figure 5 est une vue illustrant la zone d'un trou de coulée d'un haut fourneau. Selon un mode préféré de réalisation d'une installation mettant en oeuvre le procédé, objet de l'invention, elle comporte une boucheuse traditionnelle sur laquelle est rapportée un conditionnement permettant de loger le mélange de produit de bouchage dans le nez de la boucheuse soit par un moyen quelconque nécessitant un aménagement du nez de la boucheuse ou du système d'injection de la masse ou l'addition d'un système séparé d'injection du produit précurseur. Selon une première famille de machine (cf. figure 1), il s'agit d'une cartouche 2, d'un container, d'un pain préformé du mélange en vrac d'une masse de traitement et de conditionnement, placé dans le nez de la boucheuse 1; cette cartouche étant éventuellement revêtue d'une membrane, qui sous l'action de la poussée exercée par la masse de bouchage proprement dite, se déchire, pour laisser le passage de la masse de traitement et de conditionnement, sous forme solide, liquide, gazeuse. En variante (cf.figure 2), la cartouche 2 comporte à l'une de ses extrémités un joint d'étanchéité et/ou un dispositif mécanique 5 permettant l'ouverture de cette cartouche. Selon une deuxième famille de machine (cf.figure 3), la cartouche n'est pas implantée dans le nez de la boucheuse 1, mais dans une tête amovible 3 qui vient se positionner au droit de cette dernière 1, afin de faciliter les opérations de réfection. Cette tête amovible peut recevoir les différents types de cartouches, décrits précédemment. Selon une troisième famille de machine (cf.figure 4), le nez de la boucheuse 1 ou de la tête amovible 3 supportée par cette dernière, comporte un aménagement 4 permettant l'injection séparée du produit ou d'un mélange de produits. Cet aménagement consiste par exemple en une canne, fixe ou rétractable, disposée soit parallèlement, soit de manière sécante à l'axe longitudinal de la boucheuse, ou en une tige d'injection, notamment pourvue intérieurement d'une barre rétractable formant piston. Les boucheuses ainsi équipées réalisent tout d'abord, grâce à l'injection d'un premier produit ou d'un mélange de produits, un traitement et un conditionnement du trou de coulée et du massif matière situé au voisinage du trou, dans l'exemple des hauts fourneaux le massif de matière est principalement constitué de coke. Cette première phase est aussitôt suivie d'une seconde phase, constituée également en l'injection d'un produit ou d'un mélange de produits réfractaires devant assurer le bouchage du trou. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les compositions du produit ou du mélange de produits permettant le traitement et le conditionnement du trou de coulée, initialement contenues dans des cartouches ou injectées au travers des aménagements prévues sur la boucheuse comportent dans des proportions variables * de l'eau qui aura pour propriété de générer un volume important de vapeur, de décaper la paroi du trou de coulée et des morceaux de coke par oxydation superficielle et d'assurer un refroidissement rapide, par des réactions endothermiques de nature physique ou chimique telles que vaporisation, sublimation, "craking".; * des produits carbonés liquides générant un volume important de gaz qui iront se craquer dans les fissures et en assurer le volumétrage progressif ;; * des produits carbonés solides du type brai ou résidus de distillation qui avec leurs phases de ramollissement à haute température vont fournir une couche de protection sur les parois chaudes avant l'arrivée de la masse et remplir les fissures ouvertes ; * des produits divers solides finement divisés ou liquides ayant la propriété soit de générer un volume important de vapeur soit de se déposer dans les fissures et sur les parois du trou de coulée et/ou de le recombiner avec les matériaux de garnissage du haut fourneau tels que notamment du charbon, du graphite, des anthracites, des métaux et métalloïdes, des matériaux réfractaires. Ce premier ensemble de produits dit de traitement et de conditionnement remplit les fonctions suivantes * assurer que la fonte et le laitier sont effectivement repoussés vers l'intérieur du creuset et que le lit de coke se retrouve dans la zone du champignon avec un indice de vide aussi élevé que possible, * dégager les fissures éventuelles débouchant sur le trou de coulée, * assurer que la masse injectée adhère au mieux sur la partie du trou de coulée et lorsqu'elle arrive au contact du massif de coke à un niveau de plasticité optimum pour pénétrer et lier ce massif le plus en profondeur possible. Les masses de bouchage proprement dite utilisées dans le procédé objet de l'invention, sont constituées d'un liant ou d'un mélange de liants d'origine minérale et/ou chimique, et éventuellement de différents adjuvants, et d'une masse minérale ou organique. L'ensemble liants et adjuvants permettent à froid d'obtenir une certaine plasticité de la masse, plasticité qui va évoluer avec la température jusqu'à la cuisson complète de la masse pendant laquelle des liaisons carbonées et céramiques donnent les caractéristiques mécaniques recherchées pour leur bonne tenue à l'érosion et à la corrosion pendant la coulée de la fonte et du laitier. Ainsi, si le comportement de la masse à la coulée est liée à la qualité des liaisons obtenues après cuisson, l'obtention d'une bonne longueur de trou et la régulation éventuelle de cette longueur dépend de l'évolution relative des différents phénomènes transitoires qui se produisent pendant l'opération de bouchage, opération qui dure en général de 30 à 90 secondes. Ces phénomènes sont * le refroidissement des parois du trou de coulée dont la température va passer de environ 1500"C à une température intermédiaire avec celle de la masse * l'échauffement de la masse injectée en général à une température moyenne entre la température ambiante et une température inférieure à 800C ; * le rétablissement des niveaux de fonte et de laitier dans le massif de coke et à l'embouchure interne du trou de coulée ; * l'évolution de la plasticité de la masse en fonction de la température atteinte dans les différentes phases de l'injection et les différentes parties du trou de coulée ; * la cuisson de la masse injectée dans le trou de coulée en fonction des niveaux de température atteints ;; Le procédé objet de l'invention garantit que le produit ou le mélange de produits rempli les fonctions suivantes * un dégagement sous l'effet de la chaleur et pendant une durée suffisante d'une quantité importante de gaz et vapeurs qui lorsque qu'elle s'évacue vers l'intérieur du haut fourneau, permet de - nettoyer les fissures du trou de coulée - repousser la fonte et le laitier par génération d'une surpression interne dans le trou de coulée - s'infiltrer dans le massif de coke, pour séchage en libérant des vides et ainsi permettre et faciliter l'infiltration ultérieure de la masse dans ce massif. * un refroidissement superficiel de la paroi du trou de coulée pour éviter les phénomènes de caléfaction et d'échauffement brutal du boudin de masse qui empêchent par le durcissement prématuré de la partie externe de cette masse un remplissage correct de la partie interne du trou de coulée et l'élargissement progressif du champignon ; ; * un traitement et un conditionnement des fissures du garnissage réfractaire et du champignon et des joints entre les blocs constituants le garnissage réfractaire du creuset dans la zone du trou de coulée pour - reboucher les fissures par dépôts carbonés ou autres, - neutraliser les éléments destructeurs du garnissage (alcalin métaux etc..), - assurer la soudure entre les éléments fissurés, - empêcher les passages de gaz vers le placard extérieur, * un traitement et un conditionnement de la surface du trou de coulée et des morceaux de coke par exemple pour permettre une meilleure adhérence de la nouvelle masse sur l'ancienne et donc - de renforcer la tenue mécanique de l'ensemble, - d'améliorer le transfert de chaleur pour une cuisson mieux contrôlée, * une amélioration de la perméabilité du massif de coke à proximité du trou de coulée. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes et notamment ce procédé pourra également être utilisé en précurseur des produits d'injection destinés à la réfection ou l'entretien des garnissages de hauts fourneaux ou d'autres réacteurs thermiques, au sein par exemple d'orifices non obligatoirement débouchant. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réfection d'un trou pratiqué au sein d'un massif réfractaire d'un réacteur thermique ou métallurgique, caractérisé en ce qu'on injecte préalablement à la masse de bouchage proprement dite un produit ou un mélange de produits qui assure le traitement et le conditionnement du trou et éventuellement du massif de matière au débouché de ce trou à l'intérieur du réacteur, pour permettre une exploitation optimale des propriétés de la masse de bouchage. 2 - Procédé de réfection selon la revendication précédente caractérisé en ce que le produit injecté, qui se vaporise lors de la phase de traitement et de conditionnement, participe au refroidissement du trou de coulée par des réactions endothermiques de nature physique ou chimique telles que vaporisation, sublimation, "craking". 3 - Procédé de réfection selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la phase de traitement et de conditionnement est assurée notamment par un dispositif intégré dans la cartouche placée dans le nez d'une boucheuse ou par une canne d'injection, assurant éventuellement la pulvérisation du produit ou du mélange de produits de traitement et de conditionnement. 4 - Boucheuse permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, logée dans son nez (1), une cartouche (2), un container, un pain préformé du mélange en vrac d'une masse de traitement et de conditionnement, cette cartouche étant éventuellement revêtue d'une membrane, qui sous l'action de la poussée exercée par la masse de bouchage proprement dite, se déchire, pour laisser le passage du produit de traitement et de conditionnement. 5 - Boucheuse permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une cartouche (2) pourvue à l'une de ses extrémités d'un joint d'étanchéité et/ou d'un dispositif mécanique (5) permettant l'ouverture de ladite cartouche. 6 - Boucheuse permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une tête amovible (3) qui vient se positionner au droit du nez de la boucheuse (1), et qui reçoit les différents types de cartouches. 7 - Boucheuse permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le nez de la boucheuse (1) ou de la tête amovible (3) supportée par cette dernière, comporte un aménagement (4) permettant l'injection séparée du produit ou d'un mélange de produits. 8 - Boucheuse selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'aménagement (4) consiste en une canne, fixe ou rétractable, disposée soit parallèlement, soit de manière sécante à l'axe longitudinal de la boucheuse, ou en une tige d'injection, notamment pourvue intérieurement d'une barre rétractable formant piston. 9 - Composition de produit ou de mélange de produits injectée par une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte de l'eau qui aura pour propriété de générer un volume important de vapeur, de décaper la paroi du trou, et des morceaux du massif par oxydation superficielle et d'assurer un refroidissement rapide. 10 - Composition de produit ou de mélange de produits injectée par une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des produits carbonés liquides générant un volume important de gaz qui iront se craquer dans les fissures et en assurer le volumétrage progressif. ll - Composition de produit ou de mélange de produits injectée par une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des produits carbonés solides du type brai ou résidus de distillation. 12 - Composition de produit ou de mélange de produits injectée par une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des produits divers solides finement divisés ou liquides ayant la propriété de générer un volume important de vapeur, de se déposer dans les fissures et sur les parois du trou de coulée et/ou de le recombiner avec les matériaux de garnissage du réacteur thermique tels que notamment du charbon, du graphite, des anthracites, des métaux et métalloïdes, des matériaux réfractaires.