Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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l La présente invention concerne une structure réfractaire
multicouche susceptible de résister pendant des centaines
d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000C à
2500C. Quoique non exclusivemer.t, elle est particulièrement
appropriée à la réalisation de revêtements réfractaires pour
des conduites destinées à véhiculer des flux de gaz chauds
et elle sera plus spécialement décrite ci-après dans cette
application.
On sait que de telles conduites sont utilisées dans de
nombreuses installations industrielles mettant en oeuvre des
gaz à températures très élevées, telles que notamment les
fours, les usines sidérurgiques ou les usines de gazéifica-
tion de charbon.
Pour véhiculer des flux gazeux à températures élevées, la
technique antérieure connalt deux sortes de conduites :
- d'une part, des conduites métalliques refroidies par un
fluide, tel que de l'eau ; ces conduites peuvent supporter
des températures élevées, mais, du fait du refroidissement
par liquide, sont complexes à fabriquer, nécessitent des
servitudes importantes et sont le siège de déperditions
importantes de chaleur. Ainsi, de telles conduites non
seulement sont coûteuses à la fabrication et à l'entretien,
mais encore sont la cause de faibles rendements thermiques ;
- d'autre part, des conduites métalliques, non refroidies
par fluide, comportant un revêtement réfractaire interne ;
ces conduites remédient aux inconvénients des conduites
refroidies, mais en revanche ne peuvent être utilisées pour
véhiculer des flux de gaz très chauds, à cause de la
mauvaise résistance à la chaleur des revêtements réfrac-
taires connus. Dans la pratique, de telles conduites nonrefroidies ne peuvent être utilisées lorsque la température
des flux gazeux dépasse 1300C.
Or, on connaIt actuellemen-t de nouveaux moyens de chauffe,
tels que les générateurs de plasma, fournissant des
-températures très élevées et on sait qu'il est souvent
r 5 intéressant, dans certains procédés industriels, d'augmenter
les températures de fonctionnement pour obtenir des
réactions plus complètes et/ou plus rapides.
Par exemple, il est souvent souhaitable d'accro1tre autant
que possible la température du gaz de soufflage d'un haut-
fourneau, afin d'augmenter la production et de réduire la
quantité de coke nécessaire au fonctionnement dudit
haut-fourneau.
A cet effet, il est déjà connu d'équiper un haut-fourneau
d'un générateur de plasma et de relier la sortie dudit
générateur de plasma à la conduite amenant le gaz de
soufflage à la tuyère l'injectant dans ledit haut fourneau.
Une telle technique est par exemple décrite dans les brevets
français no. 2 223 449, no. 2 223 647; 2 515 326; le brevet
britanique no. 1 488 976; et le brevet américain no.
4 363 656.
Toutefois, cette technique soulève des difficultés de
mise en oeuvre à cause de la très haute température
(plusieurs milliers de C) du plasma engendré par le
générateur. En pénétrant dans la conduite du gaz de souf-
flage et en entrant en contact avec les parois de celle-ci,
le plasma entralne une usure accélérée et la destruction
desdites parois. Dans le brevet US A--4 363 656, on
constate déjà cet inconvénient à propos de la technique
du brevet GB-A-l 488 976, et on propose, pour y remédier,
d'incliner les axes du générateur de plasma et de la
c~nduite du gaz de soufflage par rapport à l'axe de
la tuyère d'injection dans le haut-fourneau. Il en
résulte un coude entre la conduite de soufflage et la
,~
` ~73~8
1 tuyère qui peut engendrer des perturbations dans l'écou-
lement du gaz de soufflage. De plus, une telle solution
n'est pas aisée à mettre en oeuvre pour perfectionner ~n
haut-fourneau préexistant.
I,'objet de la présente invention est donc une structure
réfractaire, notamment destinée à former un revêtement
interne de conduites, susceptible de résister pendant des
centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre de
2000C à 2500C. La présente invention permet notamment, de
facon avantageuse, d'adapter à des installations industriel-
les existantes des nouveaux moyens de chauffe, tels que des
générateurs de plasma, pour en augmenter le rendement.
A cette fin, selon l'invention, la structure réfractaire
multicouche, susceptible de résister pendant des centaines
d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000C à
2500C, est remarquable en ce qu'elle comporte au moins deux
couches, dont la première, directement soumise auxdites
températures élevées et constituée par un oxyde métallique
simple ou mixte ou un zirconate, a une épaisseur comprise
entre environ 1 mm et 4 mm et une densité comprise entre
environ 2,2 et 4,8 et dont la seconde couche, qui sert de
support à ladite première couche, est de même nature que
celle-ci et présente une épaisseur comprise entre environ 5
mm et 12 mm et une densité comprise entre environ 2,2 et
4,2.
Ainsi, ladite première couche est fine et est constituée
d'une céramique massive peu poreuse, dont la température
maximale d'utilisation est compatible avec les températures
à supporter. De plus, elle présente une grande inertie
chimique, vis-à-vis de la plupart des gaz chauds transportés
dans les conduites des installations industrielles. Pour
pouvoir présenter une grande pureté et une faible porosité
4 ~ ~ 7~ 4~
(et donc une grande résistance aux températures élevées),
cette première couche peut être réalisée par frittage
ou par un autre procédé permettant d'obtenir de telles
caractéristiques, comme par exemple par projection à chaud.
Un tel procédé de projection à chaud est bien connu et il
est parexemple décrit dans le brevet français no. 1 443 142.
Dans le cas présent, la source de chaleur utilisée pour
~la projection de ladite première couche peut avantageuse-
ment être un générateur de plasma.
Par ailleurs, ladite seconde couche déjà thermiquement
protégée par la première, peut être plus poreuse que
celle-ci (donc de densité moindre). De plus, comme
ses propriétés de résistance thermique sont moins critiques
que celles de la première, sa réalisation est moins délicate
et son épaisseur peut donc être réalisée par frittage
ou par projection à chaud. Dans ce cas, ladite source
de chaleur peut etre une simple flamme (oxyacétylénique par
exemple).
On remarquera que lesdites première et seconde couches
étant constituées de matières de meme nature, leurs coefficients
de dilatation sont peu différents l'un de l'autre, de sorte
que les dilatations thermiques résultant des hautes
températures auxquelles est soumise la structure selon
l'invention ne peuvent provoquer des contraintes suffisam-
ment importantes pour engendrerdes fissures, craquelures ouanalogues.
De façon usuelle, ladite structure réfractaire multicouche
selon l'invention peut être destinée à la protection d'une
paroi métallique, par exemple une conduite d'acier. Dans
ce cas, il est avantageux que ladite structure comporte une
troisième couche servant de support à ladite seconde couche
et réalisée en un béton réfractaire ayant un coefficient de
",
.. . . .
1 ~ 7~ ~8
1 dilatation linéaire compris entre environ 1,4 et 1,8 et une
épaisseur au moins égale à 20 mm.
Ainsi, une telle troisième couche assure la liaison entre
ladite seconde couche et ladite paroi et est parfaitement
compatible, en ce qui concerne les coefficients de
dilatation, aussi bien avec ladite seconde couche réfrac-
taire, qu'avec la paroi métallique de support. Puisque cette
troisième couche est protégée par lesdites première et
seconde couches, sa résistance thermique peut être plus
faible et lui permettre de supporter sans dommage seulement
des températures de l'ordre de 1500C. Ladite troisième
couche peut être un béton incorporant une grande proportion
d'alumine, par exemple de l'ordre de 80 %, incorporant une
charge pour augmenter sa résistance aux chocs thermiques.
Afin de n'appliquer à la paroi métallique que des contrain-
tes aussi faibles que possibles, il est avantageux de
réaliser une troisième couche de grande épaisseur.
Toutef'ois, notamment pour des raisons économiques, il peut
être préféré de limiter l'épaisseur du coûteux béton de la
troisième couche et de prévoir, entre ladite troisième
couche et ladite paroi, une quatrième couche en une matière
réfractaire moins coûteuse, par exemple un béton à base de
silice et d'argile, de la laine de roche ou une première
matière analogue. Cette quatrième couche doit garantir la
résistance mécanique malgré les éventuelles différences dans
les coefficients de dilatation de la troisième couche et de
la paroi métallique.
Lorsque la structure réfractaire multicouche est destinée à
protéger une paroi métallique, elle peut être réalisée
progressivement, couche par couche, en utilisant ladite
paroi comme support. Dans ce cas, on commence par former
l'éventuelle quatrième couche sur ladite paroi, puis laàite
~7~
1 troisième couche sur la quatrième (ou directement sur ladite
paroi si ladite quatrième couche n'existe pas), puis la
seconde couche sur la troisième et enfin la première sur la
seconde.
En variante, ladite structure peut être réalisée au moins
partiellement, indépendamment de la paroi, par la mise en
oeuvre d'un moule. Dans ce cas, on commence par former la
troisième couche, ou éventuellement si celle-ci n'existe
pas, la seconde dans ledit moule, puis dans le premier cas
la seconde sur la troisième, et enfin la première sur la
seconde. Ensuite, la structure ainsi obtenue est rendue
solidaire de ladite paroi au moyen d'une couche réfractaire
intermédiaire, constituée de la quatrième couche, ou si
celle-ci n'existe pas, de la troisième couche.
La présente invention concerne également une paroi portant
un revêtement réfractaire susceptible de résister pendant
des centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre
de 2000C à 2500C. Une telle paroi est par exemple une
conduite destinée à véhiculer des flux de gaz chauds et
pourvue d'un revêtement réfractaire interne et elle est
remarquable en ce que ledit revêtement comporte au moins
deux couches, dont la première, directement soumise auxdites
températures élevées et constituées par un oxyde métallique
simple ou mixte ou un zirconate, a une épaisseur comprise
entre environ 1 mm et 4 mm et une densité comprise entre
environ 2,2 et 4,8, et dont la seconde couche, qui sert de
support à ladite première couche, est de même nature que
celle-ci et présente une épaisseur comprise entre environ
5 mm et 12 mm et une densité comprise entre environ 2,2 et
4,2.
~7~
1 De préférence, au moins une couche de matière réfractaire de
liaison est prévue entre ladite seconde couche et ladite
paroi.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée.
La figure 1 montre, en coupe schématique partielle, un
exemple d'installation utilisant une structure réfractaire
multicouche conforme à la présente invention.
La figure 2 est une coupe transversale schématique, selon la
ligne II-II de la figure 1, d'un exemple de structure
réfractaire multicouche pour cette installation.
Sur la figure 1, on a représenté une portion de paroi 1 de
haut-fourneau, dans laquelle est agencée une tuyère 2
d'injection de gaz de soufflage. La tuyère 2 est alimentée
en gaz de soufflage par une conduite 3. Par exemple, la
tuyère 2 et la conduite 3 sont alignées et ont le meme axe-
X -X .
Le gaz de soufflage circulant dans la conduite 3 est par
exemple à une température de 1300C, avec une pression de
1,7 bar relatif et son débit est par exemple compris entre
1000 et 6000 N m3/h.
En dérivation sur la conduite 3 est agencé un générateur de
plasma 4 dont la buse 5 émet un jet de plasma à travers son
orifice de sortie. La buse 5 pénètre dans la conduite 3 et
son axe Y-Y fait un angle aigu, par exemple de l'ordre de
40~ par rapport à l'axe X-X de la conduite 3. Les axes X-X
et Y-Y se coupent en I.
~7;3~
1 Le jet de plasma émis par le générateur 4, est par exemple à
une température de 4000C, avec une pression de 2,5 bars
relatifs et son débit est par exemple compris entre 100 et
1000 Nm3/h.
Si les données quantitatives qui sont indiquées ci-dessus et
qui correspondent à un fonctionnement réel du haut-fourneau,
sont respectées, la température du mélange en aval du point
I est de l'ordre de 2000C.
Ainsi, dans la conduite 3, la température passe d'environ
1300C (en amont du point I) à environ 2000C (en aval du
point I).
Comme on le sait, le fonctionnement d'un haut-fourneau est
continu, de sorte que la conduite 3, qui dc facon usuelle
est réalisée en acier, doit pouvoir résister à des
températures élevées, pendant des centaines d'heures,
notamment en aval du point I.
Pour cela, on prévoit un revêtement réfractaire 6 à
l'intérieur de ladite conduite 3.
Dans l'exemple de réalisation illustré schématiquement sur
la figure 2, le revêtement réfractaire 6 selon l'invention,
au moins en aval du point I, comporte la structure
multicouche suivante :
a) une première couche 7 de zircone pure, de 2 mm d'épais-
seur et ayant une densité égale à 4,7 ;
b) une seconde couche 8 de zircone pure, de 6 mm d'épaisseur
et ayant une densité égale à 4 ;
~.~73~
1 c) une troisième couche 9 d'un béton réfractaire LAFARGE
SECAR 80 chargé de corindon globulaire, de 40 mm d'épaisseur
avec un coefficient de dilatation linéaire de 1,5 ;
d) une quatrième couche lO d'un béton réfractaire de silice
et d'argile (par exemple celui connu commercialement sous le
nom GB D4), de 40 mm d'épaisseur.
Lesdites première et seconde couches 7 et 8 peuvent être
réalisées suivant le procédé connu, notamment par le brevet
français mentionné ci-dessus, consistant à projeter leur
matière constitutive fondue au moyen d'une source de
chaleur. Cette matière constitutive se présente initialement
sous la forme d'un fil, qui est entralné vers ladite source
de chaleur. Pour la formation de la première couche 7, la
source de chaleur peut être un générateur de plasma. En
revanche, pour la formation de la seconde couche 8, la
source de chaleur peut n'être qu'une simple flamme.
La formation du revêtement réfractaire 6 peut mettre à
profit la présence de la paroi 3, en se servant de celle-ci
comme support : on commence alors à former la couche 10 sur
la paroi 3~ puis la couche 9 sur la couche 10, la couche 8
sur la couche 9 et enfin la couche 7 sur la couche 8.
En revanche, on peut réaliser la couche 9 dans un moule (non
représenté), puis la couche 8 sur la couche 9 et la couche 7
sur la couche 8. La structure monolithique des couches 7,8
et 9 est alors rendue solidaire de la paroi 3 par l'intermé-
diaire de la couche 10. Au lieu de béton, la couche 10
pourrait être constituée de laine de roche ou matière
analogue, éventuellement collée à la couche 9 et/ou à la
paroi 3.
1 Par ailleurs, lesdites première et seconde couches 7 et 8 ne
sont pas obligatoirement constituées de zircone. Elles
peuvent être par exemple en zirconate de calcium, en
magnésie ou en une spinelle dont les oxydes doubles sont
ceux de magnésium, d'aluminium ou de chrome.
