Brevet FR2933488A1 — publié le 20100108

L'invention concerne un releveur de four industriel rotatif. Les fours industriels rotatifs présentent usuellement une forme tubulaire avec une entrée pour les matériaux à cuire ou à sécher par une extrémité et une sortie à l'autre extrémité pour les produits secs ou transformés, des gaz chauds circulant à contre-courant à l'intérieur du four, la rotation du tube engendrant un brassage de la matière en présence des gaz. L'agitation des matières dans le four rotatif est fortement améliorée par la présence de releveurs sur les parois du four. Ces releveurs ont pour but d'emporter avec eux au cours de la rotation une partie des matériaux traités dans le four de manière à effectuer le brassage des composants et à homogénéiser la température. Les releveurs sont des parties en relief disposées sur la paroi interne du four sur laquelle ils sont régulièrement répartis, ils peuvent se présenter sous diverses formes et en nombre variable dans les fours rotatifs. De façon classique les releveurs sont des pièces réfractaires qui permettent une amélioration de l'échange thermique entre la matière et les gaz, ces éléments favorisent l'uniformisation de la matière dans le four et évitent le glissement des produits sur le fond du four, lequel glissement pourrait engendrer des zones localement non traitées de matière. Par ailleurs les releveurs permettent une réduction de la formation de nuage de poussière. Ces différents avantages engendrés par les releveurs conduisent à une amélioration de la productivité du four. Les releveurs sont mis en forme par moulage à partir d'un matériau réfractaire et installés en lieu et place de briques réfractaires qui constituent pour l'essentiel le revêtement intérieur du four selon une disposition propre à chaque catégorie de four. Les releveurs sont généralement constitués de deux parties : - un socle inséré dans la paroi intérieure du four, au milieu des autres briques réfractaires, - une partie en relief, dénommée tête de releveur, exposée aux gaz et chargée de brasser la matière, cette partie en relief se trouve très sollicitée au cours de la rotation du four à la fois par la matière en mouvement et en raison des variations importantes de température subies au cours de la rotation du four. Comparativement aux autres briques réfractaires qui garnissent la paroi intérieure du four les releveurs posent des problèmes spécifiques liés à la résistance aux chocs thermiques, plus particulièrement lors du fonctionnement en production et lors de la phase de refroidissement du four au cours d'une période d'arrêt de maintenance. Lors de la rotation du four, les releveurs sont soumis cycliquement à de fortes variations de température. Dans un four en fonctionnement de production, la température moyenne des gaz est comprise entre 1100 et 1300 °C, alors que celle de la matière est d'environ 700 à 850°C. Dans un fonctionnement normal, le releveur est en contact avec les gaz pendant 3/4 de tour et en contact avec la matière pendant 1/4 de tour. Cette exposition alternée engendre des contraintes thermomécaniques cycliques en compression et en traction dans le matériau constitutif du releveur et provoque la rupture par fatigue de la tête du releveur. Ces contraintes thermomécaniques sont essentiellement localisées au niveau de la tête du releveur. Les variations des températures dans le socle du releveur sont moindres du fait de la présence de briques réfractaires adjacentes ayant une grande inertie thermique. Au cours d'une période d'arrêt pour opération de maintenance, le four est refroidi très rapidement et atteint la température ambiante en quelques heures. Ce refroidissement rapide engendre également de fortes contraintes thermomécaniques dans la tête du releveur. En effet, la tête du releveur refroidit beaucoup plus vite que le socle du releveur du fait de l'inertie thermique des briques réfractaires environnantes. Les gradients thermiques engendrés se signalent par une dilatation différentielle importante entre le socle et la tête du releveur et donc, par la rupture brutale de cette dernière. Cette phase de refroidissement est la plus critique car les matériaux réfractaires sont très sensibles aux chocs thermiques descendants qui sollicitent le matériau en traction. Le fonctionnement des fours rotatifs avec des releveurs est connu depuis longtemps, par exemple les brevets US 1 544 504, US 4 015 929 et US 4 136 965 décrivent différentes formes de releveurs utilisés dans des fours rotatifs. Les releveurs décrits dans ces brevets et ceux connus dans l'art antérieur présentent les inconvénients liés à la résistance aux chocs thermiques décrite précédemment, soit donc une faible durée de vie handicapante pour la marche de l'installation. L'invention a donc pour objectif de résoudre cette principale difficulté en proposant une structure de releveur adaptée aux contraintes thermomécaniques subies par cet élément. La présente invention concerne un releveur de four rotatif en matériau réfractaire comprenant un socle destiné à s'insérer dans la paroi intérieure dudit four et une tête formant un relief par rapport à ladite paroi intérieure, le releveur selon l'invention étant caractérisé par le fait qu'il présente une tête avec une cavité interne. Les avantages du releveur de four rotatif selon l'invention sont essentiellement les suivants : - la variation de section entre la tête du releveur et le socle a une grande influence sur les contraintes thermomécaniques, l'optimisation de cette variation de section permet notamment de limiter le niveau de contrainte dans la tête du releveur et donc les risques de rupture de l'élément, - l'optimisation de la forme de la tête de releveur favorise un meilleur brassage des matières qui améliore l'efficience du four, - la cavité interne localisée dans la tête de releveur améliore fortement la tenue thermomécanique de l'élément, et donc en raison de cette meilleure tenue aux chocs thermiques les releveurs conformés selon l'invention ont une durée de vie très supérieure aux releveurs classiques, ce qui conduit à une augmentation de la productivité du four et une diminution du coût des maintenances, D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la 10 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 en coupe d'un four rotatif tubulaire comportant des releveurs. La figure 2 est une vue en coupe d'un releveur selon l'art antérieur. 15 La figure 3 illustre un releveur en coupe selon l'invention. Comme le montre la figure 1, les releveurs 1 sont régulièrement répartis dans un four rotatif, lesdits releveurs forment des parties en relief par rapport à la paroi intérieure 2 tapissée des éléments réfractaires, blocs ou briques, formant la face en contact avec les gaz chauds. 20 Lors de la rotation du four les releveurs 1 traversent la matière 3 présente dans le four et l'entraîne dans la rotation, formant ainsi un brassage efficace favorable à l'interaction avec les gaz et à l'homogénéisation des matériaux. La figure 2 représente un releveur selon l'art antérieur connu, classiquement utilisé dans les fours rotatifs, à savoir un élément comportant un socle 4 25 inséré entre des blocs réfractaires adjacents 5 et une tête 6 de forme massive, sensiblement hémisphérique, dans le prolongement du socle, formant relief sur la face intérieure du four. La figure 3 illustre un releveur selon l'invention avec un socle 4 également inséré dans la couche de blocs réfractaires qui tapisse la face intérieure du four et comportant une partie supérieure structurellement très différente. Le releveur illustré sur la figure 3 présente une partie spécifique remarquable située au-dessus du niveau de la face intérieure du four, comprise entre la tête 6 et le socle 4, nommée zone de transition 7, cette zone est représentée entre les traits en pointillés sur la figure 3. Le haut de cette zone de transition constituant la base de la tête 6, le bas de la zone de transition formant le haut du socle 4. Tel que cela est illustré sur la figure 3 la géométrie de la tête est particulière et configurée pour l'amélioration des propriétés thermomécaniques du releveur. Selon l'invention le releveur de four est caractérisé par le fait qu'il présente une tête 6 avec une cavité interne 8. Selon l'invention le releveur de four comporte une zone de transition 7 entre le socle 4 et la tête 6, laquelle zone de transition présentant une variation de section. Plus précisément la variation de section est une diminution de manière à former un épaulement au niveau de la face intérieure du four, laquelle face intérieure est représentée par le haut des briques adjacentes 5 sur les figures 2 et 3. Encore plus précisément la diminution de section dans la zone de transition 7 entre le haut du socle 4 et la base de la tête 6 est d'au moins 5% et de préférence de plus de 10%. L'épaulement formé permet une meilleure résistance mécanique de la tête du releveur, et en association avec la cavité interne 8, une meilleure répartition des contraintes lors des chocs thermiques en exploitation et en maintenance. Avantageusement selon l'invention la tête 6 comporte une section de forme globalement triangulaire ou trapézoïdale. La figure 3 illustre un mode préféré de l'invention dans lequel la tête de releveur comporte une section de forme globalement triangulaire présentant une face légèrement convexe 9 et une face plane 10. De manière à répartir au mieux les contraintes thermomécaniques s'appliquant sur la tête il a été trouvé avantageux de localiser la cavité interne 8 sensiblement au centre de la tête du releveur et dans sa base. Tel que cela est représenté sur la figure 3 la cavité interne 8 comporte une 10 section de forme ovoïde avec une partie basse localisée dans le haut du socle et dans la zone de transition 7. Avantageusement la cavité interne 8 a une forme proche de celle de la tête 6 du releveur de four. La cavité interne, complètement entourée par le matériau réfractaire, est de 15 préférence remplie d'air, toutefois, sans sortir du cadre de l'invention il est envisagé de remplir la cavité avec un matériau isolant thermique. Le socle 4 du releveur peut être prévu de structure identique à celle des blocs adjacents, tel que cela est représenté sur la figure 3, toutefois il peut aussi être envisagé sans sortir du cadre de l'invention de munir le socle avec des 20 éléments de renforcement ou de fixation, notamment par exemple des barres métalliques. Selon l'invention le releveur de four rotatif est avantageusement obtenu par moulage d'un béton réfractaire ou tout autre matériau résistant à la chaleur et disposant d'un faible module de rigidité, un faible coefficient de dilatation 25 thermique, une conductivité thermique et une contrainte à la rupture élevées. Un exemple avantageux de matériau utilisable pour réaliser un releveur de four selon l'invention est un béton réfractaire moulé mis en forme par coulage et vibration et ayant les caractéristiques suivantes après cuisson : - densité = 2,55 - Module de rupture 6R = 18 MPa à 1000 °C - Module de rigidité E = 85000 MPa - Coefficient de Poisson v = 0,2 - Conductivité thermique À = 3 W/m.K - Dilatation thermique a = 5.10-6 /°C - Capacité calorifique Cp = 1200 J/kg.°C Plusieurs variantes de releveur sont envisageables, la section est prévue globalement triangulaire ou trapézoïdale, ces géométries étant plus favorables, cependant il peut être imaginé une section carrée, rectangulaire polygonale ou irrégulière, sans sortir du cadre de l'invention. 15 La cavité interne de la tête de releveur peut être plus ou moins grande et de géométrie variable en fonction de paramètres thermomécaniques spécifiques à chaque four sans sortir du cadre de l'invention. Différentes sortes de bétons réfractaires et de matériaux résistant à la chaleur peuvent être employés pour former le releveur de four rotatif, les avantages 20 obtenus pour une bonne résistance aux chocs thermiques n'étant pas exclusivement liés au matériau lui-même mais étant aussi en relation avec la géométrie du releveur, les bénéfices de la structure proposée pouvant ainsi être transposés à différents matériaux sans sortir du cadre de l'invention. Le releveur peut être maintenu par différents moyens avec le support de la 25 face intérieure du four, il peut aussi être envisagé de fixer le releveur avec des blocs adjacents, par ailleurs des structures de supports démontables déjà 10 décrites dans l'art antérieur et qui permettent le remplacement aisé des releveurs peuvent bien évidemment être employées sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et 5 représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS1- Releveur de four rotatif en béton réfractaire ou tout autre matériau résistant à la chaleur comprenant un socle (4) destiné à s'insérer dans la paroi intérieure dudit four et une tête (6) formant un relief par rapport à ladite paroi intérieure, caractérisé par le fait qu'il présente une tête (6) avec une cavité interne (8). 2- Releveur de four rotatif selon la revendication 1 comportant une zone de transition (7) entre le socle (4) et la tête (6), laquelle zone de transition (7) présentant une variation de section. 3- Releveur de four rotatif selon la revendication 2 dans lequel la variation de section est une diminution de manière à former un épaulement au niveau de la face intérieure du four. 4- Releveur de four rotatif selon la revendication 3 dans lequel la diminution de section dans la zone de transition (7) entre le haut du socle (4) et la base de la tête (6) est d'au moins 5% et de préférence de plus de 10%. 5- Releveur de four rotatif selon les revendications 1 ou 2 dans lequel la tête (6) comporte une section de forme globalement triangulaire ou trapézoïdale. 6- Releveur de four rotatif selon la revendication 5 dans lequel la tête (6) comporte une section de forme globalement triangulaire présentant une face légèrement convexe (9) et une face plane (10). 7- Releveur de four rotatif selon la revendication 1 dans lequel la cavité interne (8) est localisée sensiblement au centre de la tête (6) du releveur et 25 dans sa base. 8- Releveur de four rotatif selon la revendication 7 dans lequel la cavité interne (8) de la tête (6) de releveur est remplie avec un matériau isolant thermique. 9- Releveur de four rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le socle (4) est muni d'éléments de fixation ou de renforcement. 10- Releveur de four rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes obtenu par moulage d'un béton réfractaire.