Brevet FR3082283A1 — publié le 20191213

- 1 - BRÛLEUR IMMERGE La présente invention concerne un brûleur destiné à être utilisé en tant que brûleur immergé dans un four de fusion de verre ou de roche, en particulier à des températures suffisamment élevées pour permettre la fusion de roche. La fusion de roche se fait traditionnellement dans des fours de type cubilot chauffés au coke. La fusion de la roche nécessite des températures significativement plus élevées que la fusion de verre, qui peuvent aller jusqu'à 1550 °C. Depuis quelques années cependant, la composition de la roche utilisée a été modifiée dans le sens d'une diminution de la température de fusion. Cependant des températures de l'ordre de 1450°C à 1500°C en sortie du four sont encore nécessaires pour assurer la fusion de telles roches. A de telles températures, on observe une usure prématurée des céramiques réfractaires généralement utilisées dans les fours. Cette usure peut être évitée grâce par à l'utilisation d'un four à parois métalliques muni de brûleurs immergés, refroidis en continu par un système de circulation d'un liquide de refroidissement (chemise d'eau, en anglais waterjacket). Le concept de combustion immergée n'est pas nouveau. Par exemple des brûleurs appropriés pour une utilisation dans la fusion de matériaux à température de fusion élevée, tels que le verre ou la roche sont décrits dans la demande US2005236747. On connait ainsi des procédés et des dispositifs permettant la fusion de verre ou de matériaux similaires dans lesquels un brûleur est directement immergé dans le bain fondu de matière. Les gaz chauds agitent le verre, transférant un pourcentage élevé de chaleur au verre ou à la roche, les faisant ainsi rapidement fondre. Plus particulièrement, un bruleur immergé classique est constitué d'un système de conduites permettant à un liquide de refroidissement, généralement de l'eau, de circuler à l'intérieur du brûleur, de manière à réduire significativement la corrosion du métal constitutif de celui-ci. La conséquence du refroidissement est la formation d'une couche de verre ou de roche entre la - 2 - couche fondue et les parois métalliques, couche qui semble agir comme une couche protectrice contre l'oxydation du métal. Un exemple de ce brûleur est notamment décrit dans la demande W02013/117851. Dans cette publication de la demanderesse, on décrit un 5 brûleur pour four comprenant une pluralité d'injecteurs alignés, chaque injecteur comprenant une chambre de mélange en forme de cylindre, avec un orifice d'éjection, une conduite d'alimentation en combustible et une conduite d'alimentation en comburant débouchant dans la chambre de mélange au niveau de l'enveloppe du cylindre selon une direction provoquant un 10 écoulement tangentiel du combustible et du comburant par rapport à l'enveloppe du cylindre, et un système de conduites permettant de faire circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur du brûleur. Un tel bruleur est typiquement, mais pas uniquement, du type de ceux susceptibles d'être utilisés selon la présente invention. Pour plus de détails, on se référera aux figures 1 à 15 3 décrites dans cette publication et à la description associée de la publication W02013/117851A1. Selon une autre réalisation particulière d'un brûleur selon l'invention, celui-ci peut également être cylindrique, notamment du type de celui décrit par exemple dans la publication US2005236747 déjà citée. 20 Malgré des avancées significatives en termes de durabilité des brûleurs, liées à une telle architecture, il existe en permanence un besoin de prolonger la durée de vie des brûleurs pour éviter ainsi des phases coûteuses de changement nécessitant l'arrêt de l'installation, en plus du coût du brûleur lui-même. 25 La présente invention a ainsi pour objet de proposer un brûleur immergé utilisable dans un four de fusion du verre ou de roche. Le brûleur selon l'invention se caractérise en ce qu'il est fait dans un alliage spécifique lui permettant d'augmenter sa durée de vie dans ses conditions habituelles d'usage. 30 Plus précisément, la présente invention se rapporte selon un premier aspect à un brûleur pour four de fusion de verre ou de roche, ledit brûleur étant - 3 - au moins pour partie, et de préférence en totalité, constitué d'un alliage présentant la composition suivante, en pourcentage pondéral de l'alliage : Cr 15 à 25% Ni 8 à 20% 5 Mo moins de 5%, de préférence encore moins de 3% Mn moins de 3%, de préférence encore moins de 2%, Si moins de 2%, de préférence encore moins de 1% N moins de 0,2 %, de préférence encore moins de 0,1% P moins de 0,1 %, de préférence encore moins de 0,05% 10 S moins de 0,05%, le reste étant constitué par du fer, du carbone et des impuretés inévitables, ledit alliage étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément choisi dans le groupe constitué par le niobium et le titane, en ce que le rapport massique Cr/C dans ledit alliage est compris entre 250 et 830, bornes 15 incluses, et en ce que le rapport massique (2Ti+Nb)/C dans ledit alliage est compris entre 5 et 65, bornes incluses. Par moins de X pourcent, on entend une quantité dudit élément compris entre 0 et X pourcent. Ainsi, alors que de manière classique dans le domaine, on considère que 20 la quantité de carbone dans un acier doit être suffisant pour favoriser la formation d'une quantité suffisante de carbures, la société déposante a constatée qu'un alliage dont le taux en carbone est ajusté par rapport à son taux global de chrome et de niobium et/ou de titane, dans les proportions décrites précédemment, pouvait être avantageusement utilisé dans la 25 constitution de brûleurs pour four de fusion de verre ou de roche. Une telle utilisation se traduit avantageusement par une augmentation sensible de la durée de vie de tels brûleurs. Selon d'autres modes de réalisation avantageux de l'invention qui peuvent bien entendu être combinés entre eux, le cas échéant : 30 - le rapport massique Cr/C dans ledit alliage est compris entre 300 et 750, bornes incluses et de préférence encore est compris entre 350 et 700, bornes incluses ; - 4 - - le rapport massique (2Ti+Nb)/C dans ledit alliage est compris entre 8 et 50, bornes incluses et de préférence encore est compris entre 10 et 40, bornes incluses ; - l'alliage comprend moins de 0,1% poids de carbone, de préférence 5 moins de 0,08% poids de carbone ; - l'alliage comprend plus de 0,03% poids de carbone, de préférence plus de 0,04% poids de carbone ; - l'alliage comprend entre 0,04 et 0,08% de carbone ; l'alliage comprend entre 9 et 16% poids de nickel ; 10 - l'alliage comprend entre 16 et 22% poids de chrome ; - l'alliage comprend entre 55 et 75 % poids de fer, notamment entre 60 et 70% poids de fer ; - l'alliage comprend moins de 1% poids de molybdène; de préférence encore ne comprend pas de molybdène ou uniquement sous forme 15 d'impuretés ; - l'alliage comprend, en pourcentage pondéral : Cr 16 à 19% Ni 9 à 12% Mo moins de 2%, de préférence moins de 0,1% 20 Mnmoins de 3% Si moins de 1% N moins de 0,2 Zr moins de 0,1 %, P moins de 0,1 25 le reste étant constitué par du fer, du carbone et des impuretés inévitables. - 5 - l'alliage comprend, en pourcentage pondéral : Cr 20 à 25%, de préférence entre 22 et 24% Ni 12 à 16% Mo moins de 0,1% 5 Mn moins de 3% Si moins de 2%, de préférence moins de 1% N moins de 0,2 Zr moins de 0,1 %, P moins de 0,1 10 le reste étant constitué par du fer, du carbone et des impuretés inévitables. L'invention se rapporte également à un brûleur immergé tel que décrit précédemment, comprenant : - une pluralité d'injecteurs alignés, chaque injecteur comprenant une 15 chambre de mélange en forme de cylindre, avec un orifice d'éjection, une conduite d'alimentation en combustible et une conduite d'alimentation en comburant débouchant dans la chambre de mélange au niveau de l'enveloppe du cylindre selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du combustible et du comburant par rapport à l'enveloppe du cylindre, et 20 - un système de conduites permettant de faire circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur du brûleur. Le brûleur est utilisé en tant que brûleur immergé, de telle façon qu'il soit de préférence installé au niveau de la sole du four, de préférence encore de manière à ce que les orifices d'éjection sont à peu près au même niveau que la 25 surface de la sole du four. Par exemple, les flancs métalliques et cloisons peuvent être en relief par rapport à la surface de la sole. D'autres configurations du brûleur sont envisageables et l'homme du métier pourra les choisir de toute manière lui permettant d'obtenir la fusion homogène des matières vitrifiables, par exemple selon les principes décrits 30 dans la demande US2005236747. En outre la présente invention se rapporte à un four de fusion de verre avec une zone d'introduction des matières vitrifiables, une zone de sortie de la - 6 - matière fondue et, entre ces zones, une zone d'écoulement de la matière fondue, ledit four comprenant dans la zone d'écoulement de la matière fondue au moins un brûleur immergé tel que décrit précédemment. Comme expliqué en introduction, le four de la présente invention est de 5 préférence utilisé pour la fusion de roche à des températures élevées, de l'ordre de 1400 à 1600 °C, supérieures à celles nécessaires à la fusion de verre. A ces températures, les céramiques réfractaires utilisées classiquement en tant que matériaux d'isolation thermique dans des fours à verre, sont soumises à une usure excessive. 10 Bien que rien ne s'oppose en principe à l'utilisation des brûleurs de la présente invention dans des fours usuels comportant des matériaux isolants réfractaires, ces brûleurs sont particulièrement utiles dans des fours fonctionnant à haute température. Dans un mode de réalisation préféré, le four de la présente invention comporte par conséquent des parois métalliques nues, 15 par exemple en acier chaudière A42CP, directement en contact avec la matière en fusion et est essentiellement dépourvu de matériaux isolants en céramique réfractaire, au moins dans les zones immergées du four qui sont en contact avec le bain de verre ou de roche. La voute du four de la présente invention peut éventuellement être isolée au moyen de matériaux réfractaires, bien qu'il 20 ne s'agisse pas d'un mode de réalisation préféré. Le four, comme le brûleur, comporte de préférence au moins un système de conduites internes permettant de faire circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur des parois du four. Ces conduites refroidissent avantageusement l'ensemble des zones en contact avec le bain des matières en fusion, 25 dépourvues de matériaux isolants réfractaires. Enfin, la présente invention se rapporte à un procédé de fusion de matières vitrifiables utilisant un brûleur tel que décrit précédemment, ledit procédé comprenant, - l'introduction de matières vitrifiables dans la zone d'introduction de 30 matières vitrifiables du four, - l'alimentation du ou des brûleurs immergés avec un combustible gazeux, de préférence du gaz naturel, et avec un comburant gazeux, de 7 préférence de l'oxygène, - le soutirage de la matière fondue dans la zone de sortie des matières fondues, et - la circulation d'un liquide de refroidissement, de préférence de l'eau, 5 dans les systèmes de conduites prévus à cet effet dans les parois du four et/ou dans le brûleur. Dans un tel procédé, les matières vitrifiables comprennent en général de la roche, de préférence de la roche basaltique. En général, la température de la roche fondue, immédiatement en amont 10 de la zone de sortie du verre fondu, est comprise entre 1400 °C et 1600 °C. Les matières vitrifiables comprennent avantageusement une certaine fraction de roche, de préférence de la roche basaltique. Cette fraction est avantageusement au moins égale à 40 %. La roche basaltique nécessite en particulier des températures de fusion 15 supérieures à celles du verre à base de silice, la température de la roche en fusion (immédiatement en amont de la zone de sortie du four) est de préférence comprise entre 1400 °C et 1600 °C, en particulier entre 1450 °C et 1550 °C. L'invention et ses avantages sont illustrés par les exemples qui suivent. 20 Exemples : Dans ces exemples, on a synthétisé des brûleurs conformément à l'enseignement de la publication W02013/117851. Selon un premier exemple 1 comparatif, on a utilisé pour la fabrication d'un 25 premier brûleur hors invention, un alliage tel que décrit dans la publication W02013/117851 dans lequel le rapport massique Cr/C est égal à 208. Selon un deuxième exemple 2, on a utilisé, pour la fabrication d'un deuxième brûleur selon la présente invention, un alliage présentant une composition d'un acier réfractaire dans lequel le rapport massique Cr/C est égal à 380 et 30 comprenant en outre du niobium dans une proportion telle que le rapport massique Nb/C est égal à 14. - 8 - Les compositions détailles des alliages constituants les deux brûleurs sont reportées dans le tableau 1 qui suit : Composition Exemple 1 Exemple 2 (comparatif) (invention) C 0,12 % 0,05 % Cr 23% 19% Ni 18% 12% Si 0,5 % 0,5% Mo - - Mn 2,0% 2,0 % Nb - 0,7% P 0,04 % 0,04 % S 0,03 % 0,03 % Fe reste reste 5 Tableau 1 Les deux brûleurs ont été utilisés dans un à bruleur immergé du type de celui décrit dans la demande W02013/117851, pour la fusion d'une composition de roche. 10 La composition fondue est à base de basalte, de bauxite, de diabase, de dolomite et dépourvu de laitier a été fondu dans un four à brûleur immergé. Le bain fondu a été fibré par centrifugation externe pour obtenir des fibres minérales présentant une composition chimique comprenant les constituants suivants, en pourcentages pondéraux : 15 SiO2 envion 40 % A1203 environ 15% CaO environ 15% MgO environ 10 % 20 Fe2O3 environ 10 % - 9 - Na2O moins de 4% K2O moins de 2 % TiO2 moins de 2% 5 La fusion est opérée dans des conditions telles que le liquide fondu a une température de 1450°C en sortie du four. Pour chacune des compositions d'alliage, les brûleurs ont été testés en conditions industrielles. On a reporté dans le tableau 2 ci-après la durée de vie 10 des brûleurs utilisés. On considère qu'un brûleur n'est plus utilisable en conditions industrielles lorsqu'on constate une fuite au niveau des injecteurs. Exemple 1 Exemple 2 Durée de vie 138 >395 moyenne du brûleur (jours) 15 Tableau 2 Les exemples reportés ci-dessus montrent que le brûleur selon l'invention, dans lequel les rapports Cr/C et Nb/C sont conformes à la présente invention, REVENDICATIONS1. Brûleur immergé pour four de fusion de verre ou de roche, ledit brûleur étant au moins pour partie, et de préférence en totalité, constitué d'un alliage présentant la composition suivante, en pourcentage pondéral de l'alliage : - Cr 15 à 25% - Ni 8 à 20% - Mo moins de 5%, - Mn moins de 3%, de préférence moins de 2%, - Si moins de 2%, de préférence moins de 1% - N moins de 0,2 %, de préférence moins de 0,1% - P moins de 0,1 %, de préférence moins de 0,05% - S moins de 0,05%, le reste étant constitué par du fer, du carbone et des impuretés inévitables, ledit alliage étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément choisi dans le groupe constitué par le niobium et le titane, en ce que le rapport massique Cr/C dans ledit alliage est compris entre 250 et 830, bornes incluses, et en ce que le rapport massique (2Ti+Nb)/C dans ledit alliage est compris entre 5 et 65, bornes incluses. 2. Brûleur immergé selon la revendication 1, dans lequel le rapport massique Cr/C dans ledit alliage est compris entre 300 et 750, bornes incluses. 3. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport massique (2Ti+Nb)/C dans ledit alliage est compris entre 8 et 50, bornes incluses. 4. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend moins de 0,1% poids de carbone, de préférence moins de 0,08% poids de carbone et de préférence encore entre 30 0,03 et 0,08% de carbone. 5. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend entre 9 et 16% poids de nickel. 6. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend entre 16 et 22% poids de chrome. 7. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend entre 55 et 75 % poids de fer. 8. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, 5 dans lequel l'alliage comprend moins de 3% poids de molybdène. 9. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend, en pourcentage pondéral de l'alliage : Cr 16 à 19% Ni 9 à 12% 10 Mo moins de 2%, de préférence moins de 0,1% Mn moins de 3% Si moins de 1% N moins de 0,2 Zr moins de 0,1 %, 15 P moins de 0,1 10. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage comprend, en pourcentage pondéral de l'alliage: Cr 20 à 25%, de préférence entre 22 et 24% Ni 12 à 16% 20 Mo moins de 0,1% Mn moins de 3% Si moins de 2%, de préférence moins de 1% N moins de 0,2 Zr moins de 0,1 %, 25 P moins de 0,1 11. Brûleur immergé selon l'une des revendications précédentes, comprenant : - une pluralité d'injecteurs alignés, chaque injecteur comprenant une chambre de mélange en forme de cylindre, avec un orifice d'éjection, une conduite d'alimentation en combustible et une conduite d'alimentation en comburant débouchant dans la chambre de mélange au niveau de l'enveloppe du cylindre selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du combustible et du comburant par rapport à l'enveloppe du -12- cylindre, et - un système de conduites permettant de faire circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur du brûleur. 12. Four de fusion de verre avec une zone d'introduction des 5 matières vitrifiables, une zone de sortie de la matière fondue et, entre ces zones, une zone d'écoulement de la matière fondue, ledit four comprenant dans la zone d'écoulement de la matière fondue au moins un brûleur immergé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Procédé de fusion de matières vitrifiables utilisant un brûleur 10 selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ledit procédé comprenant, - l'introduction de matières vitrifiables dans la zone d'introduction de matières vitrifiables du four, - l'alimentation du ou des brûleurs immergés avec un combustible gazeux, de préférence du gaz naturel, et avec un comburant gazeux, de 15 préférence de l'oxygène, - le soutirage de la matière fondue dans la zone de sortie des matières fondues, et - la circulation d'un liquide de refroidissement, de préférence de l'eau, dans les systèmes de conduites prévus à cet effet dans les parois du 20 four et/ou dans le brûleur. 14. Procédé de fusion de matières vitrifiables selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les matières vitrifiables comprennent de la roche, de préférence de la roche basaltique. 15. Procédé de fusion de matières vitrifiables selon la revendication 25 13 ou 14, caractérisé par le fait que la température de la roche fondue, immédiatement en amont de la zone de sortie du verre fondu, est comprise entre 1400 °C et 1600 °C.