EP0090761B1 - Rigole de coulée pour métaux liquides - Google Patents

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EP0090761B1
EP0090761B1 EP83630051A EP83630051A EP0090761B1 EP 0090761 B1 EP0090761 B1 EP 0090761B1 EP 83630051 A EP83630051 A EP 83630051A EP 83630051 A EP83630051 A EP 83630051A EP 0090761 B1 EP0090761 B1 EP 0090761B1
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/14—Discharging devices, e.g. for slag

Definitions

  • the present invention relates to a pouring channel intended to receive liquid metals from a furnace and in particular from the cast iron of a blast furnace.
  • Drains comprising a wear refractory layer, in contact with the liquid metal, enveloped by a permanent coating which is housed directly in the reinforced concrete slab of the pouring floor.
  • the channel fills with cast iron and slag which floats.
  • a baffle system allows density separation of the pig iron and the slag.
  • the channel is emptied and it is necessary to carry out work of restoration.
  • the accessibility of the hot channel as well as the duration of these works prevent a rapid re-use of the channel, which is incompatible with the rate of casting of modern blast furnaces.
  • Rehabilitation involves a large volume of strenuous work.
  • the permanent presence of liquid iron in the channel results in a continuous thermal flow towards the reinforced concrete of the slab of the pouring floor which heats up in its mass, which causes stresses of expansion, bursts and cracks.
  • a channel for liquid metals in which a wall with high thermal conductivity is disposed on each lateral side of the channel.
  • Each of the walls is traversed longitudinally by a slot-shaped duct. This duct can guide air, steam or water as a coolant.
  • the object of the present invention is to propose a channel which does not have the defects described above and which is capable of being installed directly in the reinforced concrete structures of the pouring floor.
  • the advantages of the channel are due to the presence of a layer of material maintained at low temperature and practically isothermal, which limits the heating of the support structures of the channel and which by its great capacity of distribution and evacuation of calories. allows all liquid metal infiltration to be frozen in the permanent refractory lining of the channel. As the distribution of temperatures in the refractory lining can be calculated, well-defined expansion joints can be provided without danger, which reduces the mechanical stresses, due to thermal expansion, experienced by the assembly and transmitted to the supporting structures of the channel . In addition, by using refractories in the permanent layer before different thermal conductivities, it is possible either to thermally isolate different zones of the channel to limit the heat losses of the cast iron, or on the contrary to cool more intensively zones which are highly stressed. The overall cooling rate is always quite low, so that the cast iron remains liquid even if the interval between two successive castings is 5 to 8 hours.
  • FIG. 1 shows a partial section through a channel according to the invention.
  • a cast iron bath 1, carrying a layer of slag 2, is in contact with a wear layer 3, the section of which is U-shaped.
  • This wear layer 3 consisting of an unshaped material, is produced on a permanent covering 4, which in the present case consists of two layers of overlapping bricks.
  • the outer layer of bricks rests against graphite blocks 7 and cooling elements 10.
  • These elements 10 arranged both in the side walls and in the bottom of the channel are formed by sealed longitudinal conduits 5, in which water circulates, sandwiched between flat graphite bricks 6 and 8.
  • the bricks 8 are in contact with the permanent coating 4.
  • the space 9 between the conduits 5, the bricks 6 and 8 as well as the graphite blocks 7, is filled with an unshaped material, good conductor of heat, ensuring good thermal contact with the cooling tubes.
  • the unshaped material also allows expansion of the conduits caused by small temperature variations.
  • the channel is housed in a reinforced concrete slab 12.
  • An equalizing layer 11 eliminates the roughness of the concrete.
  • the permanent coating 4 made of bricks capable of withstanding the direct action of cast iron constitutes a thermal barrier which prevents the cooling system from drawing too much heat from the liquid cast iron.
  • the material of the bricks resp. the number of brick layers to be superimposed is chosen in accordance with the desired degree of thermal insulation. Preferential cooling of certain highly stressed areas can be achieved by a judicious choice of the quality of the bricks of the refractory lining of the permanent layer. To drastically reduce the erosion of the wear layer, at the points where it is particularly stressed, one can replace some of the bricks of the coating 4 by bricks with high thermal conductivity 4a, which are preferably made of semi-graphite .
  • conduits guiding the cooling fluid may be advantageous to fix the conduits guiding the cooling fluid to the outside thereon, eg by welding.
  • the channel is particularly suitable for being housed directly in the reinforced concrete structure of the pouring floor.
  • the conduits guiding the cooling fluid may be placed outside the construction p. ex. by welding U irons along the sheet. The heat flow between the low temperature zone and the cooling system in this case passes through the support sheets without significant heating (temperature below 100 ° C).
  • the spacing, shape and arrangement of the conduits must be chosen as a function of the thermal conductivity and the thickness of the layer constituting the low temperature zone as well as the desired temperature profile in the refractory lining.
  • the conduits can be supplied in parallel or in series. To optimize the operation of the channel, the temperature of the coolant can be monitored and the flow rate can be varied depending on the temperature.

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Description

  • La présente invention concerne une rigole de coulée destinée à recevoir des métaux liquides d'un fourneau et en particulier de la fonte d'un haut fourneau.
  • On connaît des rigoles comportant une couche de réfractaire d'usure, en contact avec le métal liquide, enveloppée par un revêtement permanent qui est logé directement dans la dalle en béton armé du plancher de coulée.
  • Dès l'ouverture du trou de coulée la rigole se remplit de fonte et de laitier qui surnage. Un système de chicanes permet une séparation par densité de la fonte et du laitier. A la fin de la coulée, la rigole est vidée et il faut procéder à des travaux de remis en état. L'accessibilité de la rigole chaude ainsi que la durée de ces travaux empêchent une réutilisation rapide de la rigole, ce qui est incompatible avec la cadence de coulée des hauts forneaux modernes. La remise en état implique un important volume de travaux pénibles. On a, par conséquent, modifié la technique d'utilisation de la rigole pour, conserver en permanence dans celle-ci un bain de fonte liquide recouvert d'une couche de laitier plus ou moins importante. Entre deux coulées, la température de la fonte peut chuter depuis quelque 1500°C à environ 1300°C. De la présence permanente de fonte liquide dans la rigole résulte un flux thermique continu vers le béton armé de la dalle du plancher de coulée qui s'échauffe dans sa masse, ce qui provoque des contraintes de dilatation, des éclatements et des fissures.
  • Pour pallier cet inconvénient, on a utilisé des rigoles dont le revêtement réfractaire est logé dans une construction en tôle qui elle-même est supportée par des éléments de structure du plancher de coulée. Selon le support, la tôle peut être refroidie, soit par convection naturelle de l'air ambiant, soit par ventilation forcée. Ce mode de refroidissement peu efficace ne permet aucun refroidissement préférentiel d'une zone déterminée de la rigole. Normalement la tôle atteint une température qui est de 150 à 300°C selon l'usure du réfractaire. La vitesse de refroidissement de la fonte dans cette rigole, bien que plus élevée que pour une rigole massive, est toujours assez faible pour que la fonte demeure dans son état liquide, même si l'invervalle entre 2 coulées successives est de l'ordre de 5 à 8 heures. Sous l'effet des températures, la tôle de support et le revêtement réfractaire subissent des dilatations différentielles, ce qui ne manque pas de provoquer des contraintes et des fissures dans le revêtement réfractaire, surtout lorsque le régime thermique auquel est soumis la rigole est variable p.ex. en cas de vidange occasionnel de la rigole lors d'un arrêt du haut fourneau. Ces fissures permettent à la fonte de s'infiltrer dans le revêtement réfractaire et il en résulte des percées de la rigole. Une rigole dont le débit d'air peut être réglé individuellement dans différents conduits entourant le réfractaire permanent est décrite dans la demande de brevet antérieure EP-A- 60 239.
  • D'après le document Patents Abstracts of Japan, vol.5, no. 156(C-74) (828), 6 octobre 1981, on connaît une rigole pour métaux liquides, dans laquelle une paroi à haute conductibilité thermique est disposée sur chaque côté latéral de la rigole. Chacune des parois est traversée longitudinalement par un conduit en forme de créneau. Ce conduit peut guider de l'air, de la vapeur ou de l'eau comme fluide de refroidissement.
  • La présente invention a comme but de proposer une rigole qui ne présente pas les défauts précédemment décrits et qui est susceptible d'être implantée directement dans les structures en béton armé du plancher de coulée.
  • Ce but est atteint par une rigole telle que caractérisée dans les revendications indépendantes. Des réalisations préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.
  • Les avantages de la rigole sont des à la présence d'une couche de matière maintenue à basse température et pratiquement isotherme, qui limite l'échauffement des structures de support de la rigole et qui par sa grande capacité de distribution et d'évacuation des calories permet de figer toutes les infiltrations de métal liquide dans le revêtement réfactaire permanent de la rigole. La distribution des températures dans le revêtement réfractaire pouvant être calculée, on peut prévoir sans danger des joints de dilatation bien détérminés, ce qui diminue les contraintes mécaniques, dues aux dilatations thérmiques, subies par l'ensemble et transmises aux structures de support de la rigole. En outre en utilisant dans la couche permanentes des réfractaires avant des conductibilités thermiques différentes, on peut soit isoler thermiquement différentes zones de la rigole pour limiter les déperditions calorifiques de la fonte, soit au contraire refroidir plus intensément des zones fortement sollicitées. La vitesse de refroidissement globale est toujours assez faible, pour que la fonte demeure liquide même si l'intervalle entre deux coulées successives est de 5 à 8 heures.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin, où une forme d'exécution possible est représentée de manière non-limitative en fig.1. Le dessin montre une coupe partielle à travers une rigole conforme à l'invention.
  • Un bain de fonte 1, portant une couche de laitier 2, se trouve en contact avec une couche d'usure 3, dont la section est en forme de U. Cette couche d'usure 3, constituée par un matériau non façonné, est réalisée sur un revêtement permanent 4, qui dans le cas présent consiste en deux couches de briques superposées. La couche externe de briques s'appuie contre des blocs en graphite 7 et des éléments de refroidissements 10. Ces éléments 10 disposés aussi bien dans les parois latérales que dans le fond de la rigole sont constitués par des conduits longitudinaux étanches 5, dans lesquels circule de l'eau, pris en sandwich entre des briques plates en graphite 6 et 8. Les briques 8 sont en contact avec le revêtement pemanent 4. L'espace 9 entre les conduits 5, les briques 6 et 8 ainsi que les blocs en graphite 7, est rempli par un matériau non-façonné, bon conducteur de la chaleur, assurant un bon contact thermique avec les tubes de refroidissement. Le matériau non-façonné permet également une dilatation des conduits provoquée par des petits variations de température. La rigole est logée dans une dalle en béton armé 12. Une couche égalisatrice 11 élimine les rugosités du béton.
  • Les blocs en graphite supérieurs et les briques avoisinantes du revêtement permanent sont protégés par des segment de tôle 14. Sur cette tôle ainsi que sur la couche d'usure 3 se trouve une couche en béton 17, qui protège la tôle lors de débordements accidentels de la rigole. Des barres 16 fixent la tôle 15, solidaire de la tôle 14, aux armatures du béton. Entre la tôle horizontale 14 et les blocs en graphite, ainsi que les briques du revêtement permanent, se trouve un joint de dilatation 13.
  • Les blocs en graphite 6, 7, 8 excellents conducteurs de la chaleur créent une zone de température pratiquement uniforme autour du revêtement permanent 4. Cette température est contrôlée essentiellement par l'intermédiaire du débit et de la température de l'eau de refroidissement. L'ensemble est réglé de sorte à faire régner à l'interface béton armé - couche de refroidissement une température inférieure à 100° C et de préférence autour de 60°C.
  • Le revêtement permanent 4 réalisé en briques capables de résister à l'action directe de la fonte constitue un barrage thermique qui évite que le système de refroidissement ne soutire trop de chaleur à la fonte liquide. Le matériau constituant les briques resp. le nombre de couches de briques qu'il faut superposer, est choisi conformément au degré d'isolation thermique désiré. Un refroidissement préférentiel de certaines zones fortement sollicitées peut être réalisé par un choix judicieux de la qualité des briques du revêtement réfractaire de la couche permanente. Pour diminuer radicalement l'érosion de la couche d'usure, aux points où celle-ci est particulièrement sollicitée, on peut remplacer une partie des briques du revêtement 4 par des briques à conductibilité thermique élevée 4a, qui sont de préférence en semi-graphite.
  • A l'interface de la couche d'usure et du revêtement permanent règnent, suivant la conductibilité thermique locale du revêtement permanent et suivant le degré d'érosion de la couche d'usure 3, des températures comprises entre 100 et 1100° C.
  • En cas d'une infiltration de fonte liquide dans d'éventuelles fissures dans la couche d'usure 3 et dans le revêtement permanent 4, le métal se solidifiera immédiatement au contact des blocs en graphite 7 et 8, maintenus à basse température et n'aura aucun effet néfaste.
  • On peut remplacer le graphite (coefficient de conductibilité thermique
    Figure imgb0001
    100 W/m ° K) en tout ou en partie par un autre matériau comme p.ex. un produit à base de carbure de silicium (À ≃ 18), de semi-graphite (λ ≃ 35) etc., dont les propriétés de conductibilité thermique sont élevées. On ne sort pas du cadre de l'invention en utilisant des matériaux métalliques, p. ex. des plaques de fonte (λ ≈ 100), d'acier (λ ≈ 35) ou de cuivre (λ ≈ 350) pour réaliser la zone de basse température. Il faut évidemment choisir les plaques métalliques assez épaisses (p. ex. 5 à 20 centimètres) pourqu'elles aient des capacités suffisantes d'absorption, de distribution et d' évacuation des calories. Ces plaques, dont l'épaisseur est choisie en fonction de leur conductibilité thermique, éviteront tout perçage lors d'infiltrations de métal liquide dans le revêtement réfractaire permanent.
  • L'utilisation d'un matériau non-façonné adéquat pour réaliser 1, ensemble ou une partie de la zone de basse température permet de noyer les conduits de refroidissement dans celui-ci. On peut envisager également de disposer les conduits dans une couche de matériau de faible conductibilite thermique (p.ex. λ ≈ 2) entourant la zone de basse température et en contact direct avec celle-ci. Il faudra cependant veiller dans ce cas à avoir une évacuation suffisante des calories pour que la zone isotherme ne dépasse pas quelque 100°C. Ceci peut par exemple être assuré en choisissant un nombre élevé de conduits disposés tout près de la zone à basse température.
  • Lors d'utilisation de plaques métalliques il peut être avantageux de fixer les conduits guidant le fluide de refroidissement à l'extérieur sur celles-ci p.ex. par soudage.
  • Etant donnée qu'il est aisé de maintenir dans la zone isotherme une température inférieure à quelque 80° C, la rigole est particulièrement adaptée à être logée directement dans la structure en béton armé du plancher de coulée. Lorsque par contre préfère l'utilisation d'une construction en tôle pour la supporter, on pourra disposer les conduits guidant le fluide de refroidissement à l'extérieur de la construction p. ex. en soudant des fers U le long de la tôle. Le flux calorifique entre la zone à basse température et le système de refroidissement passe dans ce cas à travers les tôles de support sans qu'il y ait une échauffement important (température inférieure à 100° C).
  • L'espacement, la forme et la disposition des conduits doit être choisie en fonction de la conductibilité thermique et de l'épaisseur de la couche constituant la zone de basse température ainsi que du profil de température désiré dans le revêtement réfractaire.
  • Pour augmenter la sécurité de fonctionnement de la rigole, on peut prévoir à la place de l'eau, un autre fluide de refroidissement, comme p.ex de l'huile.
  • Les conduits peuvent être alimentés en parallèle ou en série. Pour optimiser l'exploitation de la rigole on peut suivre la température du fluide de refroidissement et varier le débit en fonction de la température.

Claims (11)

1. Rigole de coulée destinée à recevoir des métaux liquides et en particulier de la fonte d'un haut fourneau, comportant une première couche (3) de réfractaire d'usure, à section en forme de U, définissant deux parois latérales reliées par un fond, guidant le métal liquide, la première couche (3) étant logée dans une deuxième couche (4) de réfractaire permanent ayant également une section en forme de U et en contact thermique avec la première couche, ainsi que des conduits (5) guidant un milieu refroidissant en contact thermique avec la deuxième couche (4), caractérisée en ce que la deuxième couche (4) est logée dans et en contact thermique avec une troisième couche (7) isotherme dont les côtés latéraux et le fond sont exécutés essentiellement en un produit à base de ou en graphite, semi-graphite, ou carbure de silicium, dont la conductibilité thermique est supérieure à 12 W/m ° K et en ce que les conduits (5) qui sont en contact thermique avec les côtés latéraux et le fond de la troisième couche (7) guident un liquide de refroidissement.
2. Rigole selon la revendications 1, caractérisée en ce que la troisième couche (7) présente un coefficient de conductibilité thermique supérieur à 30 W/m ° K.
3. Rigole selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les conduits (5) dans lesquels circule un liquide de refroidissement sont intégrés dans la troisième couche (7).
4. Rigole selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les conduits (5) dans lesquels circule un liquide de refroidissement sont intégrés dans ou fixés sur une couche de matière qui est en contact thermique avec la troisième couche (7).
5. Rigole selon la revendication 1, caractérisée en ce que la troisième couche (7) est constituée par des matériaux différents entre eux.
6. Rigole selon la revendication 1, caractérisée en ce que la troisième couche (7) a une épaisseur variable.
7. Rigole selon les revendications 1,5 ou 6, caractérisée en ce que la disposition, le nombre et la forme des conduits (5) dans lesquels circule le liquide de refroidissement est fonction du profil de température désiré dans la première couche (3).
8. Rigole selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième couche (4) est constitué en partie par un matériau (4a) ayant une conductibilité thermique supérieure à 12 W/m °K.
9. Rigole de coulée destinée à recevoir des métaux liquides et en particulier de la fonte d'un haut fourneau, comportant une première couche de réfractaire d'usure (3), à section en forme de U, définissant deux parois latérales reliées par un fond, en contact avec le métal liquide, la première couche (3) étant logée dans une deuxième couche (4) de réfractaire permanent ayant également une section en forme de U et en contact thermique avec la première couche, la deuxième couche (4) étant logée dans et en contact thermique avec une troisième couche (7) ayant des côtés latéraux et un fond exécutés essentiellement avec des éléments en métal, ainsi que des conduits (5) guidant un milieu refroidissant en contact thermique avec la troisième couche, caractérisée en ce que l'épaisseur minimale de la troisième couche est de 5 cm tout en ayant une conductibilité thermique supérieure à 12 W/m °K et en ce que les conduits (5),qui sont en contact thermique avec les côtés latéraux et le fond de la troisième couche (7), guident un liquide de refroidissement.
10. Rigole selon la revendication 9, caractérisée en ce que les conduits (5) sont fixés à l'extérieur sur la troisième couche, de préférence par soudage.
11. Rigole selon une des revendications 1 ou 9, caractérisée en ce que le liquide de refroidissement est de l'eau ou de l'huile.
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