LU82831A1 - Procede pour proteger les parois laterales de fours electriques - Google Patents

Description

'î- 2.4383 ow \ Demande de brevet de.......„9......octobre.....1980 Désignation de l'Inventeur —-» ·+— 0 Le soussigné Monsieur Charles München, conseil en brevets à____________________

Luxembourg, lia, boulevard Prince-Henri agissant en qualité de déposant — de mandataire du déposant — (j) ...........la.....société anonyme dite: METALLURGIE H0B0KEN-0VERPELT........................

...................8j......rue Montagne du Parc, Bruxelles. Belgique_________________________________________________________ (3) de l’invention concernant : ...................."Procédé pour protéger la sole de fours électriques", désigne comme inventeur (s) : 1.)Nom et prénoms Monsieur Robert H. Maes,_______________________________________________________________________________________________

Adresse .....Kapelstraat 115, B-2540 Hove. Belgique ______________________________________________________ 2. Nom et prénoms................Monsieur André L. Delvaux,________________________________________________________________________________________

Adresse .....Fruithoflaan 93 - (bus......14). B-2600 Berchem. Belgique 3. Nom et prénoms................Monsieur Pierre J. Lenoir,_____________________________________________________________________________________

Adresse .....Ingenieur......Haesaertslaan 33,.....B-2520 Edeoem. Belgique............

Il affirme la sincérité des indications susmentionnées et déclare en assumer l’entière responsabilité.

Luxembourg t \e 15 octobre........................19 80 (signature) A 68026____ f) Nom, prénoms, firme, adresse.

\ * 2. u i sa.

# MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION au Grand-Duché de Luxembourg i * î au nom de la Société anonyme dite

METALLURGIE HOBOKEN-OVERPELT

! pour : "Procédé pour protéger les parois latérales de fours électriques" ( t - 1 -

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La présente invention sp l'upporte à un procédé de protection des parois ' latérales de fours électriqv'»’1* contenant des scories ä une température sensiblement supérieure à leur temppiature de fusion, et qui tendent des lors à attaquer les parois latérales par coU«Rf°n par érosion.

Une telle situation se p^scnte, par exemple, dans les fours de réduction de ferro-alliages, ou les c.ondt'*ons de réduction nécessitent d'opérer à des températures nettement supérieure «u Point de fusion de la scorie; on opère par exemple à 1500°C, alors que scorie peut avoir un point de fusion de l'ordre de 1400°C. Egalement dans ίο«« de slag cleaning, la température d’opéra-‘ tion doit systématiquement *4« supérieure au point de fusion de la scorie et des différences de l'ordre è‘ I0P°C sont assez fréquentes; dans certains cas, les conditions de réductior ^vent même nécessiter des surchauffes de scorie atteignant 250°C et plus.

Dans ces conditions, le iours de conception traditionnelle présentent systématiquement des attaques vussées du réfractaire constituant les parois latérales et, au-delà de certes:4 R*veaux de surchauffe, ils deviennent même totalement inadéquats pour conte- - ^ scories li(îuides· Pour remédier à cette situation, on a propose des dir^i:ifs constitués de parois réfractaires I haute ; conductivité thermique, te- dëcrlts dans PaPer Sélection A 80-5, Wall f v. design for metallurgical f, K* Potocnik’ Metallurgical Society of AIME". Pour évacuer les h-=* ilux calorifiques que ces parois doivent trans- i * mettre, il faut faire appe î circulation d’eau à leur surface extérieure.

1 „ . „ · . j „ est que la transmission de la chaleur de la ; Un inconvénient de ces dis ^ p \ . - - , j .. . l'intermédiaire d'une tôle dont le contact avec paroi a 1 eau doit se fam , . . , .. „ ^-rwnence assuré. En réalité, les revêtements ré- le réfractaire doit etre e- * £ „ . , £ . - îî oeuvent subir des dilatations et des déforma- fractaires des fours elect * telle sorte que ce contact tôle-refractaire ne tions importantes en serv:Ί têtues durées et que la protection des parois peut pas etre garanti pou: — “ w / r/, est donc, aléatoire. / 1/

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On a egalement propose les dispositifs décrits dans le brevet US n°3,849,587 ; ' suivant lequel on loge, dans la maçonnerie des parois latérales du four, des membres refroidissants solides, constitués d'un matériau a haute conductibilité thermique, tel que le cuivre, de façon à extraire un flux calorifique suffisant pour limiter l'érosion du revêtement réfractaire. Ces dispositifs présentent divers inconvénients. Comme ils sont logés dans un revêtement réfractaire de propriétés thermiques différentes des leurs, ils sont mécaniquement vulnérables, parce qu'ils peuvent être endommagés par des efforts de cisaillement résultant de dilatations différentielles lors de la mise en service et durant le fonction-‘ nement du four. En deuxieme lieu, il est difficile de prévoir à quel niveau la scorie surchauffée aura l'action corrosive la plus intense, de telle sorte que ces dispositifs ne sont pas toujours logés à l'endroit optimal dans le revêtement ou sont éventuellement soumis à des flux calorifiques plus intenses que ceux pour lesquels ils avaient été dimensionnés. De plus, les flux calorifiques que transfèrent ces dispositifs sont extrêmement élevés et peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de 200 kW/m2. A ce niveau commencent â surgir des difficultés pour transférer ces flux calorifiques à un milieu refroidissant extérieur, tel que de l’eau, étant donné que la surface d'échange risque de s'élever i des températures supérieures au point d'ébullition de l'eau. Une extraction de la chaleur par de l'air est, en principe, possible mais se heurte à des probités v de réalisation pratique qui réduisent fortement la sécurité de fonctionnement de ces dispositifs.

D'une manière générale, les solutions proposées jusqu'ici au problème s'orientent vers la protection des parois latérales par formation d'une cot£* e de scorie solidifiée contre leur surface intérieure, obtenue en tolérant d# | flux calorifiques élevés à travers la paroi, mais elles se heurtent a dem f-

ficultés majeures : I

- la réalisation de parois hautement conductrices dont la stabilité mécanise soit suffisante |· - 3 - t - l'extraction des flux calorifiques à la surface extérieure; avec l'eau, il y a un problème de contact entre l'eau et la paroi; avec l'air, l'échange thermique est insuffisant ou, en tout cas, difficile à contrôler.

La présente invention a pour objectif de remédier à c.es divers inc.onvë-*-·* nients. Elle consiste a protéger les parois latérales par formation d'une couche de scorie solidifiée contre leur surface intérieure, en réalisant ces parois, au niveau de la scorie, en un matériau métallique massif et en extrayant le flux calorifique, que la scorie liquide contenue dans le four force à travers ce matériau métallique massif, en refroidissant sa partie extérieure.

. Il a été découvert par la Demanderesse qu'entre la scorie liquide contenue , dans le four et la scorie solide que l'on dépose contre la paroi, s'établit un flux calorifique dont la valeur est proportionnelle â la surchauffe de la scorie, le coefficient de proportionnalité étant, en moyenne, de l'ordre de 100 W/ jn2°C. Si donc on réalise des surchauffes de scorie de 100°C, il en résulte que le flux calorifique que la scorie liquide force à travers une paroi couverte de scorie solidifiée sera, en moyenne, de l'ordre de 10 kW/m2. Si la surchauffe est de 250°C, le flux calorifique sera, en moyenne, de l'ordre de 25 kW/m2.

De tels flux calorifiques peuvent être extraits â la partie extérieure d'un matériau métallique massif par circulation d'un fluide refroidissant liquide ou gazeux, tel que l'eau ou l'air. Dans le cas d'une circulation d'eau, la riali-

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sation la plus simple consiste à asperger la surface extérieure du matériau métallique massif de telle façon qu'il s'y écoule en permanence un film d'eau. On obtient ainsi des coefficients de transfert calorifique entre le métal et l'eau qui sont au moins égaux à 500 W/m2°C, de telle sorte que, par exemple, avec un flux calorifique de 25 kW/m2, la différence de température entre l'eau et le métal ne dépasse pas une valeur de 25.000/500 = 50°C. En maintenant la température de l'eau alimentée dans le système ä une valeur inférieure a 50°C, on évite donc, que le métal atteigne la température de 100°C, à partir de laquelle peuvent apparaître des problèmes de transmission calorifique, du fait des possibilités rlp vanfir·! fiat i nn Hp / // - 4 -

Alternativement, on peut également envisager que la circulation d'eau se fasse dans des conduits aménagés â l'intérieur du matériau métallique massif. Dans ce cas, il est également possible, moyennant une vitesse de circulation suffisante de l'eau dans les conduits, de réaliser des-coefficients de transfert calorifique tels que l'on évite que le métal atteigne une température de 100°C.

Dans le cas d'une extraction des flux calorifiques par circulation d'air, il est indiqué, pour des flux calorifiques de l'ordre de 10 a 25 kW/m2, d'augmenter la surface d'échange entre l'air et le métal de façon à ce que le flux à extraire soit ramené à une valeur inférieure à environ 5 kW/m2. Ce résultat peut être atteint par la réalisation d'une surface gaufrée ou ailettée, le gaufrage ou les ailettes étant normalement constituées du même métal que le matériau métallique massif. Moyennant une vitesse de circulation de l'air contre la paroi de l'ordre de 1 m/sec, on obtient des coefficients de transfert calorifique entre le métal et l'air qui sont au moins égaux à 25 W/m2°C, de telle sorte que, par exemple, avec un flux calorifique de 25 kW/m2, ramené à 5 kW/m2 en multipliant la surface d'échange par 5, la différence de température entre l'air et le métal ne dépasse pas une valeur de 5.000/25 = 200°C.

L'épaisseur du matériau métallique massif doit être suffisante pour assurer la stabilité mécanique de l'ensemble de la construction du four; elle doit, en particulier, être suffisante pour maintenir en place les briques d'extrémité de i la sole du four, qui est généralement réalisée en arche inversée. De plus, il faut une épaisseur suffisante pour absorber les pointes locales de flux calorifique, aux endroits où l'action corrosive de la scorie surchauffée est la plus intense, de telle façon que ces pointes soient atténuées par un élargissement des lignes de flux a mesure que la chaleur traverse la paroi, et que le flux calorifique â la surface extérieure soit pratiquement uniformisé et égal aux valeurs moyennes définies plus haut. Pour réaliser ces deux objectifs, une épaisseur minimum de 20 cm peut être considérée comme indispensable. Elle doit être d'autant plus élevée que le four est plus grand et que sa construction'' devient

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- 5 - ι plus massive. L'inconvénient d'une grande épaisseur est que le gradient de tem-' pérature dans le matériau métallique s'accroît et que l’on atteint donc des températures de plus en plus élevées â la surface intérieure, en contact avec la ! scorie solidifiée. En pratique, une épaisseur de 120 cm ne semble pas devoir être dépassée pour la construction des plus gros fours.

I Le métal constituant le matériau métallique massif sera de préférence un mé tal courant, de faible coût, tel que le fer, l'acier, le cuivre ou l'aluminium, | ! ou un alliage â base de tels métaux. Le choix du métal est cependant une fonc— ; tion du flux calorifique qui doit être transféré à travers la paroi, de l'ëpais- ! v seur de la paroi et de la température qui est atteinte â sa surface extérieure.

Ces trois facteurs définissent la température qui sera atteinte à la surface in~ i térieure du métal, au contact avec la scorie solidifiée; cette température ne peut pas dépasser celle correspondant à la limite de résistance mécanique du mé-i tal. A ce point de vue, l'acier, dont la conductibilité thermique est de 50 W/ m°C, est généralement satisfaisant. Par exemple, avec une surchauffe de scorie de 100°C, a laquelle correspond un flux calorifique à travers la paroi de l'ordre de 10 kW/m2, et avec une épaisseur de paroi de 0,4 m, le gradient de température dans le métal sera égal â 10.000 x 0,4/50 * 80°C. Si la surface extérieure est refroidie à l'eau de telle façon que sa température ne dépasse pas 100°C, la température de la surface intérieure ne dépassera donc, pas 180°C, ce » qui est compatible avec des propriétés mécaniques suffisantes de l'acier.

Dans des conditions plus sévères de transfert calorifique, il peut être indiqué de faire appel au cuivre ou a l'aluminium, dont les conductibilités thermiques sont nettement plus élevées que celle de l'ac.ier, et qui donneront donc des températures plus basses â la surface intérieure du métal. D'une manière générale, cette température peut être déterminée par la relation suivante : * " 100 * * Tscor - '-J — (Ii,met - fluide5 (l/h,-l· e/A) dans laquelle jS = flux calorifique a travers la paroi, en W/m2 7 Δτ surchauffe scorie, en °C ( 1/ scor / / - 6 - i v ! h = coefficient de transfert calorifique du fluide refroidissant I la surface extérieure, en W/m2°C e = épaisseur du métal, en m

λ = conductibilité thermique du métal, en W/m°C

i

T± = température à la surface intérieure du métal, en °C

= température du fluide refroidissant la surface extérieure, en °C

dont on déduit : T. » îlOO x Δ T x (1/h 4 e/λ )7 4 T„ . . . i,met L sc.or ' -» fluide

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Le dispositif de l'invention et ses avantages sont illustrés de manière plus précise par l'exemple suivant. Pour un four électrique de dimensions intérieures largeur 4 m x longueur 14 m, contenant de la scorie â 1350°C, dont le point de fusion est de 1100°C, on réalise la paroi latérale, sur la hauteur du niveau de scorie, égale a 80 cm, en blocs massifs de cuivre (dont la conductibilité thermique est de 400 W/m°C) d'une épaisseur de 40 cm. Ces blocs sont refroidis à leur surface extérieure par une aspersion d'eau à 40°C, assurant un coefficient de transfert calorifique de 1000 W/m2°C.

La surchauffe de la scorie est de 250°C et le flux calorifique moyen traversant la paroi sera donc de l'ordre de 25 kW/m2. Dans ces conditions, il s'éta-» blit entre l'eau et la scorie liquide contenue dans le four, un gradient de tem pérature représenté à la figure en annexe. Ce gradient peut être calculé par les relations suivantes : - à la surface extérieure du métal, la température est donnée par : 25.000 - 1.000 (T - 40) , d'où T = 65°C suivant la formule 0 *= h. ΔΎ ou jS = flux calorifique, en W/m2 h = coefficient de transfert calorifique, en W/m2eC 4T = différence de température entre le métal et l'eau, en °Q/y - 7 - - a la surface intérieure' du métal, la température est donnée par : 25.000 = 492. (T - 65), d'oD T - 90°C 0,4

suivant la formule 0 = Æ T

e ou 0 = flux calorifique, en W/m2 \ ^

A = conductibilité thermique, en W/m°C e = épaisseur du métal, en mètres fa T = gradient de température dans le métal, en °C

Ces conditions permettent de former, contre la surface extérieure du métal, une couche de scorie solidifiée dont l’épaisseur moyenne est de l’ordre de 10 *· cm. / ί %

Claims (14)

1 REVENDICATIONS [ ί, 1. Proc.ëdë pour maintenir une couche protectrice constituée de scorie solidifiée contre la surface intérieure de la paroi latérale d'un four électrique contenant des scories à une température sensiblement supérieure ä leur température de fusion, suivant lequel on extrait le flux calorifique que la scorie liqui- ii j de contenue dans le four force à travers ladite paroi latérale en refroidis- i ) sant la partie extérieure de cette paroi, caractérisé en ce qu'on réalise la- :| dite paroi en un matériau métallique massif.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de la j scorie liquide dépasse d'au moins 50°C sa température de fusion.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise de l | j l’eau pour refroidir la partie extérieure de ladite paroi.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en c.e qu'on asperge la surface ! extérieure de ladite paroi avec de l'eau.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on aménage de* <ron- ! duits à l'intérieur de ladite paroi et on y fait circuler de l'eau, ί

6. Procédé selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce qu’on réalise un | coefficient de transfert calorifique entre l'eau et la paroi d'au sotW 500

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on limite la |Hfc*ra- | ‘ ture à la surface du métal en contact avec l'eau à une valeur infërifl^V

8. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utÜfll^K j l'air pour refroidir la partie extérieure de ladite paroi.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on augmente Vf^^^rce d'échange entre l'air et le métal de façon à ce que le flux calorit traire soit inférieur à environ 5 kW/m2. / * s

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’on réalise un coefficient de transfert calorifique entre l'air et la paroi d'au moins 25 W/m2°C.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on limite la température â la surface du métal en contact avec l'air à une valeur égale ou inférieure â 200°C. Ψ *-w

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite paroi est compris entre environ 20 et environ 120 cm.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise ladite paroi en fer, cuivre, aluminium ou un alliage a * , base de ces métaux.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on opéré dans des conditions telles que la température S la surface de ladite paroi en contact avec la scorie solidifiée soit inférieure à celle à laquelle les propriétés mécaniques du métal se détériorent. Dessins : —À— p'mc.hcs pe~cs c:rvi_______À........<?'·?. r-'-'s ........ί........\ ' ::sn .......i· ' ’ s _ «ίr.„iC.Si.ionr ......./.....descriptif Lu:·—’:c—. ’ - - — . , u . V---"Charles München