Brevet FR2889735A1 — publié le 20070216

L'invention concerne un barreau composite utilisable dans un four de cimenterie. Les fours rotatifs et plus particulièrement les fours à ciment sont composés d'une boite à fumées par laquelle les farines destinées à être calcinées arrivent, cet approvisionnement s'effectue par glissement sur une pente douce. Les farines se déversent dans le four rotatif faiblement incliné et avancent dans celui-ci au cours de la cuisson. Les fumées de cuisson à haute température, typiquement de l'ordre de 1200 C, circulent à contre-courant du flux de farines et remontent dans la boite à fumées afin d'échanger leur chaleur avec les farines dans le précalcinateur en amont de la boîte à fumées. La boite à fumées est fixe par rapport au four rotatif et elle dispose d'un joint d'étanchéité pour éviter la fuite des fumées et des farines. La température des fumées atteint 1200 C dans la boîte à fumées et cette partie est donc équipée, en conséquence, de tuiles réfractaires afin de maintenir son intégrité. Les tuiles réfractaires sont maintenues en place et supportées dans la partie basse de la boîte à fumées au moyen de segments en fonte, également appelés barreaux. Un tel assemblage et une construction de four rotatif telle que précédemment décrite est représentée, par exemple, dans le document US 3 547 417. En raison de la température élevée dans la partie basse de la boîte à fumées et des contraintes importantes subies les segments en fonte qui maintiennent les tuiles réfractaires en position ont tendance à se déformer et à se dégrader au cours du temps en occasionnant des fuites de fumées et de farines. Lesquelles fuites ont pour conséquence l'arrêt du four et son refroidissement pour remplacer les segments de fonte et rétablir le profil de réfractaire. L'arrêt et la remise en service de l'installation constituent une perte d'énergie très importante et un arrêt très long, pénalisant pour la productivité du four. Afin d'améliorer la durée de vie de ces segments de soutien il a été employé au cours du temps différents matériaux et notamment récemment des fontes réfractaires, malgré une amélioration notable le problème de dégradation dans le temps des segments n'a pas été résolu. D'autres techniques permettant d'améliorer la durée de vie de la partie basse de la boîte à fumées ont été tentées, et notamment il a été envisagé des segments creux refroidis avec un fluide interne tel que cela est par exemple illustré dans le document US 5 433 597. Un refroidissement par eau a été présenté dans le document US 2 826 403, et un refroidissement par air dans le document US 5 730 590. Tous ces dispositifs permettent le maintien de l'intégrité de l'assemblage réfractaire lorsqu'ils fonctionnent de manière optimale, malheureusement le fonctionnement optimal n'est jamais maintenu sur des très longues périodes de production et il arrive donc que le fluide de refroidissement n'arrive plus en quantité suffisante, voire plus du tout, la conséquence sur la dégradation des segments est alors très rapide. Par ailleurs la circulation d'un fluide de refroidissement, quelle que soit sa 20 nature, entraîne une complexification de l'installation de production et des coûts plus élevés, à la fois pour la maintenance et pour le fonctionnement. Ainsi les barreaux de soutien en fonte réfractaire, tout comme les dispositifs refroidis avec différents fluides, ne permettent pas de résoudre le problème principal de l'intégrité de la partie basse de la boîte à fumées au cours du temps, notamment dans des conditions de coût satisfaisantes. L'invention a donc pour objectif de résoudre ces principales difficultés en proposant un barreau selon une nouvelle conception de réalisation et disposant de moyens adaptés pour maintenir dans le temps l'intégrité de la partie basse de la boîte à fumées. La présente invention concerne un barreau composite de maintien des tuiles réfractaires dans une boîte à fumées, laquelle boîte ayant pour fonction l'alimentation en matières d'un four rotatif. Le barreau composite est caractérisé par le fait qu'il comporte: - une semelle métallique, - deux bras et au moins un tirant fixé sur l'extrémité d'un bras de manière à relier le barreau composite avec un barreau voisin, - une poutre support solidaire de la semelle métallique dont la partie au contact des gaz chauds du four est capable de résister de manière continue à des températures supérieures à 1000 C. La poutre support est constituée par un bloc composite métal céramique comportant un insert céramique formant l'extrémité du barreau. Les avantages du barreau composite selon l'invention sont multiples, et plus particulièrement: É Aucun élément métallique n'est exposé à l'atmosphère du four, ce qui assure une bonne durée de vie du barreau. É Tous les composants du barreau sont compatibles en dilatation avec le béton réfractaire qui les englobe, il n'est ainsi généré aucune contrainte dans le monolithe. É Le dessous des barreaux est en affleurement du béton de tuile, ce qui facilite la réalisation de la boîte à fumées car le coffrage s'appuie directement contre. É L'extrémité céramique du barreau a une forme favorable pour la tenue du béton de bout de tuile, même disloqué ledit béton ne peut glisser ni vers le bas, ni vers l'avant. L'élément céramique augmente la résistance thermique du bord de tuile. É La fabrication et la mise en place des barreaux est simplifiée par rapport aux segments en fonte connus. É Les caractéristiques techniques du barreau et de son mode d'agencement améliorent fortement la durée de vie de l'installation et donc la rentabilité du four à ciment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue du bas de la boîte à fumées depuis l'entrée du four, de segments en fonte selon l'art antérieur. La figure 2 présente une coupe selon A-A' de la boîte à fumées selon l'art antérieur illustré dans la figure 1. La figure 3 est une vue du bas de la boîte à fumées depuis l'entrée du four, d'un agencement de barreaux composites selon l'invention. La figure 4 présente une coupe selon B-B' de la boîte à fumées selon l'invention présentée dans la figure 3. La figure 5 est une vue agrandie de deux barreaux composites reliés par un tirant. La figure 6 est une vue en coupe selon C-C' de la partie de boîte à fumées représentée dans la figure 5. La figure 7 illustre le détail d'un barreau composite en coupe. La figure 8 montre le bloc composite réfractaire sous différentes vues. La figure 9 illustre l'insert céramique du bloc composite réfractaire. Les boîtes à fumées emploient à ce jour principalement des segments de fonte réfractaire selon une construction illustrée sur la figure 1. Cette figure présente le bas de la boîte à fumées vue du bout du four. La partie en forme de cheminée de ladite boîte à fumées garnie de tuiles réfractaires est référencée 1. Dans cette représentation de l'état de la technique le segment de fonte 2 chargé de soutenir les tuiles réfractaires et les empêcher de descendre et d'avancer est directement fixé sur l'armature métallique 3 de la boîte à fumées. Le segment en fonte 2 est conformé avec une section verticale 4 boulonnée sur l'armature métallique. La figure 2 présente une coupe du bas de la boîte à fumées selon A A'. La forme du segment de fonte 2 et sa disposition pour retenir les tuiles réfractaires est bien visible sur cette figure. En fonctionnement la partie avant 5 du segment de fonte est exposée aux très hautes températures transportées par les fumées, c'est cette partie qui se dégrade au cours du fonctionnement du four. La figure 3 illustre le bas de la boîte à fumées comportant des barreaux composites selon l'invention en une vue du bout du four. La cheminée en tuiles réfractaires 1 et l'armature métallique 3 de la boîte à fumées se présente de manière identique. Cette figure 3 et la vue en coupe correspondante selon B B' illustrée sur la figure 4 montrent les éléments principaux du barreau composite selon l'invention: - la semelle métallique 6, - les bras 7 sur lesquels sont disposés des tirants métalliques 8 de manière à 25 relier les barreaux composites entre eux, - la poutre support 9 solidaire de la semelle métallique. La figure 5, et la coupe selon C - C' illustrée sur la figure 6, montrent une vue agrandie du barreau selon l'invention, tel que positionné dans la boite à fumées. Les détails des différents éléments constitutifs du barreau composite sont 5 représentés sur les figures 7, 8 et 9. Le barreau composite seul est illustré en coupe sur la figure 7. Plus précisément la semelle métallique 6 est globalement conformée en forme de boite ouverte sur la partie antérieure et sur le dessus, dont la partie verticale postérieure est fixée sur la tôle de base sur la boîte à fumées, soit donc sur l'armature métallique 3. La partie horizontale de la semelle métallique, formant le fond de la boite, soutient la poutre support 9. Afin d'améliorer la rigidité de la semelle métallique 6 et garantir le maintien en place du bloc composite 10 un boulon 16 de forte section traverse l'ensemble du bloc réfractaire et les flancs de ladite semelle métallique 6, ce boulon traversant est placé sensiblement au centre des faces latérales de la semelle métallique, tel que cela est illustré sur la figure 7. La semelle métallique 6 n'est pas exposée aux fumées en provenance du four, le matériau constitutif peut être un acier inox ou de manière plus générale un matériau résistant à la fois à des températures élevées de l'ordre de 300 à 400 C et aussi aux contraintes mécaniques importantes transmises par la poutre support 9. Ladite poutre support 9 est composée par un bloc composite 10 métal céramique comportant un insert céramique 11 formant l'extrémité du barreau composite. Plus précisément le bloc composite 10 métal céramique est un réfractaire de type "SIFCA" capable de tenir de manière continue à des températures supérieures à 700 C et plus particulièrement au voisinage de 800 C. Ce bloc composite 10 est surmoulé à un insert céramique 11 à haute résistance thermique et mécanique formant l'extrémité du barreau composite. L'insert céramique 11 est exposé aux gaz chauds en provenance du four, il est choisi pour être capable de supporter de manière continue des 5 températures supérieures à 1000 C et notamment des températures voisines de 1200 C. L'insert céramique est constitué d'un corps 12 en forme de poutre et d'une terminaison renforcée, un talon 13, ayant pour fonction de retenir les tuiles réfractaires disposées au-dessus du barreau composite. Le bloc composite 10 surmoulé avec l'insert céramique 11 est représenté en différentes vues dans la figure 8, notamment la figure 8a illustre une vue de face, c'est-à-dire telle que perçue en sortie de four. La figure 8b est une vue de côté et la figure 8c une vue de dessus du bloc composite 10 avec l'insert céramique 11. Le talon 13 comporte une double pente illustrée sur les figures 8c et 9b, cette partie renforcée déborde, à sa base, de la section du barreau lorsque celui-ci est vu depuis la sortie du four. La figure 8d est une vue par l'arrière du bloc composite 10, c'est-à-dire une vue depuis la semelle métallique, illustrant le débordement du talon 13 par 20 rapport audit corps composite 10. L'insert céramique 11 isolé du corps composite est représenté sur la figure 9 selon différentes vues. La figure 9a est une vue de côté, la figure 9b est une vue de dessus qui illustre notamment le corps 12 et la conformation du talon 13 en une double pente orientée vers le bloc composite réfractaire et le corps 12 réfractaire, soit donc vers la partie haute de la boîte à fumées, de manière à retenir les tuiles réfractaires disposées au-dessus du barreau composite. La figure 9c est une vue par l'arrière, depuis la semelle métallique, montrant la forme globale en V inversé du talon 13 et le débordement de cette partie par rapport au corps 12. En variante l'insert céramique peut être rainuré sur les flancs pour assurer son maintien dans le bloc qui lui est surmoulé et l'extrémité antérieure dudit insert céramique peut être chanfreinée sur les faces qui sont exposées à l'ambiance du four. Selon l'invention le barreau composite comporte également deux bras 7, représentés sur les figures 1 à 7, permettant de relier les barreaux 10 composites entre eux au moyen d'un tirant 8. Les bras 7 sont solidaires de l'extrémité antérieure de la semelle métallique 6. Plus précisément le tirant 8 est fileté et mis en place au travers des ouvertures 14 ménagées dans les extrémités supérieures des bras 7. Le tirant 8 est employé pour ajuster la contrainte élastique entre les barreaux composites. Ledit tirant 8 est en acier réfractaire de forte section capable de résister de manière continue à des températures supérieures à 800 C et notamment à des températures voisines de 950 C. Il est ainsi possible d'envisager un montage des barreaux avec une précontrainte permettant d'augmenter la cohésion de l'ensemble. Les bras 7 sont faiblement inclinés vers l'avant, c'est-à-dire dans la direction du four rotatif de manière à empêcher le glissement des tuiles réfractaires. Lesdits bras 7 prennent appui sur une butée 15 anti-recul positionnée sur le bloc composite 10, cette butée 15 est illustrée sur les figures 8b et 8c. Plusieurs variantes sont possibles quant aux dimensions des différents éléments dans le barreau composite. Il peut par exemple être envisagé différentes épaisseurs et différentes longueurs pour les deux parties du L qui constituent la semelle métallique, l'insert métallique peut être plus ou moins profondément inséré dans le corps composite réfractaire, les bras peuvent être plus ou moins longs, plus ou moins inclinés et le tirant posséder différentes dimensions et caractéristiques techniques sans sortir du cadre de l'invention. Il est également envisageable différentes variantes quant à l'espacement entre les barreaux positionnés dans la boîte à fumées et un nombre plus ou moins élevé de tirants permettant d'ajuster les tensions entre les barreaux composites. Sans sortir du cadre de l'invention il peut être prévu un réseau de pattes d'ancrages en acier réfractaire pour compléter la cohésion de la tuile réfractaire située au-dessus du barreau composite et éviter les déplacements de ladite tuile tout au long du fonctionnement du four et de la vie de la boîte à fumées. Selon l'invention il est prévu un insert céramique disposant d'un talon permettant le maintien des tuiles réfractaires avec une forme spécifique en double pente, il est envisageable de concevoir d'autres formes et d'autres moyens de retenue des tuiles, une longueur plus ou moins importante pour l'insert et différentes variantes quant au matériau utilisé sans sortir du cadre de l'invention. De manière générale les matériaux ont été choisis en fonction de la contrainte de température, des contraintes mécaniques imposées et en fonction également des coûts des matériaux, il est envisageable, même si cela est moins favorable, d'employer d'autres matériaux et, par exemple, une poutre support exclusivement en céramique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, ruais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1- Barreau composite de maintien des tuiles réfractaires dans une boîte à fumées ayant pour fonction l'alimentation en matières d'un four rotatif, caractérisé par le fait qu'il comporte: - une semelle métallique (6), deux bras (7) et au moins un tirant (8) fixé sur l'extrémité d'un bras (7) de manière à relier le barreau composite avec un barreau voisin, - une poutre support (9) solidaire de la semelle métallique (6) dont la partie au contact des gaz chauds du four est capable de résister de manière continue à des températures supérieures à 1000 C. 2- Barreau composite selon la revendication 1 dans lequel la poutre support (9) est constituée par un bloc composite (10) métal céramique comportant un insert céramique (11) formant l'extrémité du barreau. 3- Barreau composite selon la revendication 2 dans lequel l'insert céramique (11) est constitué d'un corps (12) et d'un talon (13) ayant pour fonction de retenir les tuiles réfractaires. 4- Barreau composite selon la revendication 3 dans lequel le talon (13) comporte une double pente orientée vers le bloc composite (10) et le corps (12), soit donc vers la partie haute de la boîte à fumées, de manière à retenir les tuiles réfractaires disposées au-dessus du barreau composite. 5- Barreau composite selon la revendication 1 dans lequel la semelle métallique (6) a une forme de boîte ouverte sur sa partie antérieure et sur le dessus et est fixée sur l'armature métallique (3) de la boite à fumées par sa partie verticale postérieure. 6- Barreau composite selon la revendication 1 dans lequel les bras (7) sont solidaires de l'extrémité antérieure de la semelle métallique (6). 7- Barreau composite selon la revendication 6 dans lequel le tirant (8) reliant deux barreaux entre eux est fileté et employé pour ajuster la contrainte 5 élastique entre les barreaux. 8- Barreau composite selon la revendication 7 dans lequel le tirant (8) fileté est en acier réfractaire de forte section et est capable de résister de manière continue à des températures supérieures à 800 C. 9- Barreau composite selon la revendication 2 dans lequel le bloc 10 composite (10) métal céramique est capable de supporter de manière continue des températures supérieures à 700 C. 10- Barreau composite selon la revendication 2 dans lequel l'insert céramique (11) est capable de supporter de manière continue des températures supérieures à 1000 C.