Brevet FR2869099A1 — publié le 20051021

COUVERCLE DE POCHE AVEC JUPE DEFORMABLE Le traitement de l'acier dans un réacteur métallurgique comme, par exemple, celui de l'acier liquide dans un four poche dégage des gaz et des fumées qu'il faut capter et traiter. Ces gaz et fumées sont produits au cours des opérations métallurgiques: réactions des différents composés présents, brassages du métal par un gaz neutre (azote ou argon) à des débits variables, injection d'oxygène, de composants minéraux et métalliques, effet des arcs. Les premières protections installées pour capter ces gaz et fumées ont été assurées par des couvercles en matériaux réfractaires dans un anneau métallique. Les couvercles possèdent trois trous pour le passage des électrodes qui apportent, par les arcs établis entre elles-mêmes et la charge métallique, la puissance de chauffage nécessaire. Les gaz et fumées sont captés autour des électrodes, au-dessus du couvercle par des prises d'aspiration latérales ou hottes latérales du type communément appelé side-draft . Les réfractaires de ce couvercle souffrent de la proximité du bain ou de la longueur du traitement. Une amélioration a été de faire des couvercles tubulaires refroidis à l'eau, d'une forme telle qu'elle réduit le diamètre de la partie en réfractaire et qu'elle l'éloigne du bain d'acier liquide. Les objectifs sont la réduction des consommations de réfractaire, la limitation relative des pertes thermiques et la facilité de capter les gaz et les fumées sous ce couvercle. Pour le four poche, plusieurs formes ou assemblage de formes sont utilisés: couvercle seul, couvercle avec une hotte latérale ou couvercle avec une hotte totale autour des électrodes, captage en hotte seule ou partagée entre le couvercle et la hotte. L'inconvénient majeur perdure: l'étanchéité des couvercles sur les poches n'étant jamais parfaite, les entrées d'air sous le couvercle produisent une oxydation du laitier et une oxydation de l'acier, souvent une oxydation des deux, très préjudiciable à la qualité de certaines nuances d'aciers élaborées. Une solution avec une jupe entourant la partie haute de la poche n'apporte pas le bénéfice attendu sur la réduction des entrées d'air entre le couvercle et la poche. Il arrive que les opérateurs réduisent la capacité de captation des gaz et des fumées, par réduction de la pression sous le couvercle et du débit d'aspiration, pour réduire les entrées d'air; la détérioration des performances du captage laisse alors les gaz et fumées s'échapper en partie dans l'atelier de production. L'étude des pressions, des débits et des températures des gaz dans les différents compartiments et à travers les différentes ouvertures des couvercles des fours poches montre que la limitation des fuites entre le couvercle et la poche, dans le sens de l'introduction d'air ou dans le sens des fuites des gaz et des fumées, ne sera obtenue que si un équilibre des pressions entre l'intérieur et l'extérieur du couvercle, au niveau exact du bord de poche sur lequel il repose, est atteint. Les moyens utilisés pour capter les gaz autour de la poche, la jupe et son conduit d'extraction des gaz et des fumées, ne permettent pas d'atteindre cet équilibre sinon en sur-dimensionnant, de façon irréaliste, le débit d'extraction des gaz et des fumées dans la jupe. Le jeu habituel entre la poche et la jupe est d'environ 150 mm. Ce jeu est grand et en partie nécessaire pour tenir compte des déformations de la poche, des différences de diamètre d'une poche à l'autre, des déformations du couvercle et des positionnements absolus et relatifs des deux parties. Avec un tel jeu le surdimensionnement du captage en jupe est de 5 à 20 fois ce qu'il est habituellement pour obtenir l'équilibre des pressions entre l'intérieur et l'extérieur du couvercle au bord de poche. Dans une conception habituelle des couvercles de poche et en cherchant sous la partie la plus haute du couvercle une dépression de 3 à 5 Pascals, la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du couvercle au niveau de la poche est de 10 à 15 Pascals. Pour réduire cette différence à 0, avec un passage de 150 mm entre la poche et la jupe comme cité ci-dessus, le débit à aspirer dans la jupe seule est de 100 000 à 200 000 Nm3/h alors que celui du couvercle est de 5 000 à 20 000 Nm3/h. La perte de charge dans un passage circulaire aussi bien qu'annulaire est fonction de la vitesse du fluide (dans cette zone de l'air) qui y circulent et n'est pas en relation avec la section elle-même. Le débit aspiré est lui proportionnel à la vitesse et à la section de passage; il peut varier énormément avec la variation des sections de passage. Une valeur acceptable du débit aspiré est atteinte si la section de passage est très sensiblement réduite. L'invention décrite ci-dessous a pour but de remédier à cette quasiimpossibilité technique d'atteindre des débits d'aspiration acceptables avec une jupe conventionnelle et sa grande section de passage qu'elle laisse entre elle et la poche. Le couvercle à jupe déformable se positionne sur la poche avec les jeux habituels entre poche et jupe. La déformation de cette dernière réduit la section de passage de l'air aspiré par l'ouverture et donc le débit de l'installation. Il est alors possible d'avoir des valeurs réalistes de débit de captage, du même ordre de grandeur qu'une installation conventionnelle, tout en supprimant les entrées d'air sous le couvercle et par-là même les oxydations du laitier et de l'acier. Des mesures de pression en plusieurs endroits, dans la hotte, dans le couvercle et dans la jupe permettent de faire une régulation de débit dans la jupe, comme dans la hotte si un dispositif de réglage en continu et à distance est prévu. Sans réglage continu, un réglage fixe assure l'équilibre des pressions dans le cas le plus défavorable et dans les autres cas une partie des gaz et fumées générés dans le couvercle est aspirée dans la jupe. Cette partie reste faible par rapport au débit aspiré en hotte même si la jupe enserre bien la poche. L'invention sera mieux comprise en décrivant un exemple de couvercle de four poche avec une jupe déformable et d'un moyen à mettre en oeuvre pour la déformation de la jupe dans le but de réduire et de contrôler le débit aspiré, en s'appuyant sur les figures jointes. La figure 1 de la planche 1 représente schématiquement un couvercle de poche avec une jupe à volets. La figure 2 de la planche 1 représente le profil préférentiel de la jupe qui, après déformation, lui permet d'être proche de la poche lors des opérations de traitement. La figure 3 de la planche 2 représente un mécanisme de commande de la déformation des volets de la jupe. La figure 4 de la planche 2 représente le système de contrôle et de commande par automatisme des pressions et débits. Sur la figure 1, la poche 1 a reçu du métal 2 et une couche de laitier 21 pour un traitement au four poche. Le chauffage du bain de métal et de laitier est assuré par au moins un arc 61 établi entre l'électrode 6 d'amenée de courant et le métal 2. Le couvercle 3 s'appuie sur la poche 1 et possède un passage 31 pour l'électrode 6; l'appui du couvercle 3 sur la poche 1 n'est pas parfait et un passage 32 existe entre le couvercle 3 et la poche 1. Le couvercle 3 est surélevé par une hotte 4, qui possède un orifice 41 de passage de l'électrode 6. La hotte 4 a un conduit d'extraction des gaz et des fumées 42 muni de moyens de régulation de pression 44. La jupe 5 entoure la partie haute de la poche 1 avec un passage 51 entre la jupe 5 et la poche 1 et un conduit d'extraction des gaz et fumées 52 muni de moyens de régulation de pression 54. Les gaz et les fumées produits dans le four poche à l'intérieur 33 du couvercle 3 sont évacués par l'extraction 42 de la hotte 4 en passant du couvercle 3 à la hotte 4 par le passage 31. La pression dans l'intérieur 43 de la hotte 4 est légèrement négative, de -3 à -5 Pascals sous le passage 41 de façon à aspirer de l'air extérieur à la hotte 4 dans l'intérieur 43. La température dans l'intérieur 43 et la géométrie de la hotte 4 font que la pression au passage 31 entre l'intérieur 33 du couvercle 3 et l'intérieur 45 de la hotte 4 est positive, de 0 à 5 Pascals et supérieure de plusieurs Pascals, de 2 à 5, dans l'intérieur 33 du couvercle 3 à celle qui existe dans l'intérieur 43 de la hotte 4 pour que les gaz et fumées générés dans l'intérieur 33 passent dans l'intérieur 43 et soient évacués dans l'extraction 42. La température dans l'intérieur 33 et la géométrie du couvercle 3 font que la pression au passage 32 et à l'intérieur 33 du couvercle 3 est plus élevée que dans le haut du couvercle 3 sous le passage 31 de 5 à 15 Pascals et beaucoup moins élevée, de 10 à 15 Pascals, qu'à la pression à l'entrée de la jupe 5 au passage 51. La pression à l'intérieur 53 de la jupe 5 est une fonction de la pression extérieure au passage 51 et ne peut être inférieure à la pression à l'intérieur 33 du couvercle 3 au niveau du passage 31, que si la dépression au passage 51 est forte, de 5 à 20 Pascals. Pour arriver à une telle perte de charge au passage 51, il faut une vitesse élevée, de 10 à 20 m/sec. La section de passage 51 étant de 1 à 2 m2 dans les conceptions existantes, le débit à extraire est de 50 000 à 200 000 m3/h alors que le volume à extraire en 42 est de 10 000 à 20 000 m3/h Cet écart de débit rend difficile le réglage d'un point de fonctionnement de l'installation et surtout demande une puissance d'extraction élevée. La réduction de la section à 0,1 m2 ou moins demande un débit de 5 000 à 15 000 m3/h, un débit parfaitement acceptable et contrôlable. L'équilibre des pressions entre l'intérieur 33 du couvercle 3 et l'intérieur 53 de la jupe 5 au niveau du passage 32 ne peut être atteint que si les pressions dans la gaine 42 de la hotte 4 et dans la gaine 52 de la jupe 4 sont ajustables et si possible régulées dans leurs valeurs absolues comme dans leurs valeurs relatives. Les moyens de régulation 44 de la pression des gaz et des fumées dans la gaine 42 sont utilisés pour obtenir une pression de -3 à -5 Pascal dans l'intérieur 43 de la hotte 4 au passage supérieur de l'électrode 6 et ne pas avoir de sortie de gaz et de fumées par le passage 41. Les moyens de régulation 54 de la pression des gaz et des fumées dans la gaine 52 sont utilisés pour obtenir une même pression dans l'intérieur 33 du couvercle 3 et l'intérieur 53 de la jupe 5 au niveau du passage 32 et ne pas avoir d'entrées d'air dans le couvercle 3 par le passage 32. Les moyens de régulation 44 et 54 sont également utilisés pour avoir les mêmes pressions des gaz et des fumées dans les gaines 42 et 52 en aval des moyens de réglage 44 et 54. La figure 2 représente le schéma de principe de la géométrie d'une jupe déformable. La jupe 5 possède en partie basse une série de volets 55 qui ont la liberté de se rapprocher de la poche 1. La partie 56 des volets 55 se trouve de préférence parallèle à la poche 1 quand le volet 54 est déformé et ainsi assure dans le passage 51 un type d'écoulement créant une perte de charge entre l'extérieur de la poche 1 et l'intérieur 53 de la jupe 5. La mise en place de l'ensemble de captage des gaz et des fumées, soit le couvercle 3, la hotte 4 et la jupe 5, sur la poche 1 se fait alors que les volets 55 de la jupe déformable 5 sont approximativement alignés avec la jupe 5 pour garantir un positionnement aisé du dit ensemble de captage sur la poche 1 avec un passage 51 d'environ 150 mm de large. Après sa mise en place et pour un bon fonctionnement, les volets 55 de la jupe 5 sont déformés de façon que la partie 56 de la jupe 5 se rapproche de la poche 1 pour réduire le passage 51 de 0 à 10 mm. La figure 3 représente un exemple de mécanisme de commande 8 de déformation des volets 55 de la jupe 5. II est composé de deux actionneurs 82 et 83, de deux bielles 84 et 85 et d'un câble 81. Sur la figure 3 l'embiellage 84 est représenté pour avoir la jupe 5 en position ouverte et l'embiellage 85 pour avoir la jupe 5 en position fermée. Un câble 81 enserre les volets 55 munis de goulottes 551 de guidage de câble. Le câble 81 fait plus d'un tour et glisse dans les goulottes 551 lors de sa mise en tension par le mécanisme 8. Pour une meilleure compréhension, les volets 55 en position de repos sont repérés 552 et en position de fermeture sont repérés 553. La bielle 84 est en position de détente du câble 81 et les volets 552 sont au repos, loin de la poche 1; le passage 51 est large, le positionnement de l'ensemble de captage constitué du couvercle 3, de la hotte 4 et de la jupe 5 sur la poche 1 est aisé. La bielle 85 est en position de tension du câble 81 qui en glissant dans les goulottes 551 déforme les volets 553, les rapproche de la poche 1 et réduit le passage 51. D'autres solutions peuvent être envisagées pour la constitution de la jupe 5; elle peut par exemple être un médium continu, métallique ou non, une brosse, métallique ou synthétique. La construction peut être faite de parties élastiques comme dans l'exemple décrit ou de parties articulées. D'autres solutions peuvent être envisagées pour assurer une déformation de la jupe 5, comme une multitude de vérins, à simple effet avec rappel ou à double effet. La déformation de la jupe 5 peut aussi être assurée par un joint expansible qui, sous l'effet de la pression d'un fluide, liquide ou gazeux, réduit très sensiblement l'espace entre la jupe 5 et la poche 1. Le mécanisme a toujours pour but de réduire la section de passage 51 des gaz aspirés dans la jupe 5. La figure 4 représente un automatisme de commande des actionneurs 44 et 54 par un moyen informatique 7 en utilisant les données d'au moins un capteur de pression 71, dans la hotte 4, d'au moins un capteur de pression 72 dans le couvercle 3 et d'au moins un capteur de pression 73 dans la jupe 5. Les signaux des capteurs 71, 72 et 73 sont transmis au moyen 7 pour y être traités en tenant compte de l'implantation des capteurs 71, 72 et 73 dans respectivement la hotte 4, le couvercle 3 et la jupe 5. L'analyse fonctionnelle implantée dans le moyen 7 élabore les consignes de positionnement et les corrections à apporter aux actionneurs 44 et 54. L'efficacité de la jupe déformable sera d'autant plus grande que la température entre la jupe 5 et la poche 1 sera élevée. Il n'est pas nécessaire de refroidir la jupe 5; un garnissage réfractaire de la partie non déformable est une possibilité d'amélioration de l'efficacité de l'invention. Revendications. 1/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique de type four poche dont la construction est faite en au moins deux zones de captage, dont l'une est une jupe entourant le haut du réacteur, caractérisé par le fait que la jupe est déformable pour enserrer le haut du réacteur grâce à un mécanisme approprié. 2/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la jupe déformable réduit la section de passage de l'air entraîné entre le réacteur et la jupe. 3/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'aspiration des gaz, des fumées et de l'air entraîné est faite par deux conduites dont l'une est connectée à la jupe et l'autre au couvercle ou à la hotte, ayant chacune un moyen de réglage de pression et donc de débit aspiré. 4/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la jupe déformable est constituée de composants élastiques. 5/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que les composants élastiques sont une multitude de volets métalliques. 6/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la jupe déformable est constituée de composants articulés. 7/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la jupe déformable est constituée d'un élément déformable par gonflage. 8/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que les réglages des pressions et donc des débits de chaque conduite sont obtenus par un moyen informatique d'automatisation de contrôle et de commande des organes de réglage. 9/ Couvercle de captage des gaz et des fumées d'un réacteur métallurgique suivant les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que la jupe est garnie de réfractaires pour résister aux contraintes thermiques.