Structure réfractaire multicouche et paroi pourvue d'une telle structure réfractaire

Abstract

 Structure réfractaire multicouche, susceptible de résister pendant des centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000°C à 2500°C.
Selon l'invention, cette structure est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux couches, dont la première (7), 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 et4 4 mm et une densité comprise entre environ 2,2 et 4,8 et dont la seconde couche (8), qui sert de support à ladite première couche (7), 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.
Réalisation de conduites industrielles destinées à véhiculer des gaz chauds.

Description

[0001] La présente invention concerne une structure réfractaire multicouche susceptible de résister pendant des centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000°C à 2500°C. Quoique non exclusivement, 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.

[0002] 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 gazéification de charbon.

[0003] Pour véhiculer des flux gazeux à températures élevées, la technique antérieure connaît 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 réfractaires connus.. Dans la pratique, de telles conduites non refroidies ne peuvent être utilisées lorsque la température des flux gazeux dépasse 1300°C.

[0004] Or, on connaît actuellement de nouveaux moyens de chauffe, tels que les générateurs de plasma, fournissant des températures très élevées et on sait qu'il est souvent intéressant, dans certains procédés industriels, d'augmenter les températures de fonctionnement pour obtenir des réactions plus complètes et/ou plus rapides.

[0005] Par exemple, il est souvent souhaitable d'accroître 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.

[0006] 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 FR-A-2 223 449, FR-A-2 223 647, GB-A-1 488 976,

[0007] US-A-4 363 656 et FR-A-2 515 326.

[0008] 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 soufflage et en entrant en contact avec les parois de celle-ci, le plasma entraine 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-1 488 976, et on propose, pour y remédier, d'incliner les axes du générateur de plasma et de la conduite 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 tuyère qui peut engendrer des perturbations dans l'écoulement du gaz de soufflage. De plus, une telle solution n'est pas aisée à mettre en oeuvre pour perfectionner un haut-fourneau préexistant.

[0009] L'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 2000°C à 2500°C. La présente invention permet notamment, de façon avantageuse, d'adapter à des installations industrielles existantes des nouveaux moyens de chauffe, tels que des générateurs de plasma, pour en augmenter le rendement.

[0010] 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 2000°C à 2500°C, 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.

[0011] 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 (et donc une grande résistance aux températures élevées), cette première couche peut ête 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 par exemple décrit dans le document FR-A-1 443 142. Dans le cas présent, la source de chaleur utilisée pour la projection de ladite première couche peut avantageusement être un générateur de plasma.

[0012] 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 supérieure. Cette seconde couche peut également être réalisée par frittage ou par projection à chaud. Dans ce cas, ladite source de chaleur peut être une simple flamme (oxyacétylènique par exemple).

[0013] On remarquera que lesdites première et seconde couches étant constituées de matières de même 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 suffisamment importantes pour engendrer des fissures, craquelures ou analogues.

[0014] 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 dilatation linéaire compris entre environ 1,4 et 1,8 et une épaisseur au moins égale à 20 mm.

[0015] 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 réfractaire, 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 1500°C. 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.

[0016] Afin de n'appliquer à la paroi métallique que des contraintes aussi faibles que possibles, il est avantageux de réaliser une troisième couche de grande épaisseur.

[0017] Toutefois, 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.

[0018] 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 ladite 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.

[0019] 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.

[0020] 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 2000°C à 2500°C. 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.

[0021] De préférence, au moins une couche de matière réfractaire de liaison est. prévue entre ladite seconde couche et ladite paroi.

[0022] 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.

[0023] 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 même axe X-X.

[0024] Le gaz de soufflage circulant dans la conduite 3 est par exemple à une température de 1300°C, avec une pression de 1,7 bar relatif et son débit est par exemple compris entre 1000 et 6000 N m3/h.

[0025] 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 aigü, 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.

[0026] Le jet de plasma émis par le générateur 4, est par exemple à une température de 4000°C, avec une pression de 2,5 bars relatifs et son débit est par exemple compris entre 100 et 1000 Nm3/h.

[0027] 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 1 est de l'ordre de 2000°C.

[0028] Ainsi, dans la conduite 3, la température passe d'environ 1300°C (en amont du point I) à environ 2000°C (en aval du point I).

[0029] Comme on le sait, le fonctionnement d'un haut-fourneau est continu, de sorte que la conduite 3, qui de façon usuelle est réalisée en acier, doit pouvoir résister à des températures élevées, pendant des centaines d'heures, notamment en aval du point I.

[0030] Pour cela, on prévoit un revêtement réfractaire 6 à l'intérieur de ladite conduite 3.

[0031] 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'épaisseur 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 ;

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 10 d'un béton réfractaire de silice et d'argile (par exemple celui connu commercialement sous le nom GB D4), de 40 mm d'épaisseur.

[0032] 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 entraîné 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.

[0033] 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.

[0034] 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'intermédiaire 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.

[0035] 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.

Revendications

1 - Structure réfractaire multicouche, susceptible de résister pendant des centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000°C à 2500°C,
caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux couches, dont la première (7), 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 (8), qui sert de support à ladite première couche (7), 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.

2 - Structure réfractaire multicouche selon la revendication 1, destinée à être supportée par une paroi métallique (3), notamment en acier,
caractérisée en ce qu'elle comporte une troisième couche (9) servant de support à ladite seconde couche (8) et réalisée en un béton réfractaire ayant un coefficient de dilatation linéaire compris entre environ 1,4 et 1,8 et une épaisseur au moins égale à 20 mm.

3 - Structure réfractaire multicouche selon la revendication 2,
caractérisée en ce qu'elle comporte une quatrième couche réfractaire (10) servant à la liaison entre ladite troisième couche (9) et ladite paroi métallique (3).

4 - Structure réfractaire multicouche selon l'une des revendications 2 ou 3,
caractérisée en ce que ladite troisième couche (9) est en un béton réfractaire à forte proportion d'alumine.

5 - Structure réfractaire multicouche selon l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisée en ce que ladite quatrième couche (10) est en un béton réfractaire, en laine de roche ou matière analogue.

6 - Structure réfractaire multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisée en ce que ladite première couche et/ou ladite seconde couche (7,8) sont réalisées par projection à chaud.

7 - Structure réfractaire multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destinée à être supportée par une paroi (3) à protéger,
caractérisée en ce qu'elle est réalisée couche après couche sur ladite paroi.

8 - Structure réfractaire multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destinée à être supportée par une paroi (3) à protéger,
caractérisée en ce qu'elle est réalisée couche après couche indépendamment de ladite paroi, puis assemblée à celle-ci par l'intermédiaire d'une couche réfractaire (10).

9 - Paroi susceptible de résister pendant des centaines d'heures à des températures élevées de l'ordre de 2000⁰C à 2500°C, notamment conduite destinée à véhiculer des flux de gaz chauds et pourvue d'un revêtement réfractaire interne, caractérisée en ce que ledit revêtement comporte au moins deux couches, dont la première (7), 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 (8), qui sert de support à ladite première couche (7), 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.

10 - Paroi selon la revendication 9,
caractérisée en ce qu'au moins une couche de matière réfractaire de liaison (9,10) est prévue entre ladite seconde couche (8) et ladite paroi (3).

Dessins