L'invention concerne un perfectionnement aux pipes de soufflage et d'aspiration des fours à chambres ouvertes dits « à feu tournant » ou « à avancement de feu » pour la cuisson des blocs carbonés (anodes ou cathodes) destinés notamment aux cuves de production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult, mais aussi des blocs carbonés de tous types destinés de façon générale, aux fours d'électrométallurgie.
Dans tout ce qui suit, nous désignerons par l'expression « bloc carboné tout produit obtenu par mise en forme d'une pâte carbonée, et destiné, après cuisson, à l'utilisation dans des fours d'électrométallurgie.
Par exemple, les anodes carbonées destinées aux cuves de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue sont obtenues par mise en forme d'une pâte carbonée résultant du malaxage, à environ 120 à 200 °C, d'un mélange de brai et de coke broyé. Après mise en forme, les anodes sont cuites pendant une centaine d'heures à une température de l'ordre de 1 100 à 1 200 °C. D'autres types de blocs carbonés sont obtenus par le même procédé.
Bien qu'il existe quelques procédés de cuisson continue en four tunnel, une grande partie des installations de cuisson en service dans le monde à ce jour sont du type « four à chambre » dits « à feu tournant » (ring fumace) ou encore « à avancement de feu ». Ces fours se divisent eux-mêmes en deux catégories, les fours fermés et les fours dits « à chambres ouvertes », décrits notamment dans le brevet US 2 699 931 et qui sont les plus utilisés. La présente invention' s'applique plus particulièrement aux fours à chambres ouvertes.
Ce type de four comporte deux travées parallèles dont la longueur totale peut atteindre plus d'une centaine de mètres.
Chaque travée comporte une succession de chambres, séparées par des murs transversaux et ouvertes à leur partie supérieure, pour permettre le chargement des blocs crus et le déchargement des blocs cuits refroidis. Chaque chambre comporte, disposées parallèlement au grand axe du four, un ensemble de cloisons creuses, à parois minces, dans lesquelles vont circuler les gaz chauds assurant la cuisson, alternant avec des alvéoles dans lesquelles on empile les blocs à cuire qui seront ensuite noyés dans une poussière carbonée (coke, anthracite ou résidus carbonés broyés ou tout autre matériau de garnissage pulvérulent). Il y a par exemple 6 alvéoles et 7 cloisons alternées par chambre.
Les cloisons creuses sont munies, à leur partie supérieure, d'ouvertures obturables dites « ouvreaux »; elles comportent en outre des chicanes pour allonger et répartir plus uniformément le trajet des gaz de combustion.
Le chauffage du four est assuré par des rampes de brûleurs, ayant une longueur égale à la largeur des chambres, et dont les injecteurs viennent se placer sur les ouvreaux des chambres concernées. En amont des brûleurs (par rapport au sens d'avancement du feu), on dispose une pipe de soufflage d'air de combustion, et, en aval, une pipe d'aspiration des gaz brûlés. Le chauffage est assuré à la fois par la combustion du combustible injecté (gaz ou fuel), et par celle des vapeurs de brai émises par les blocs en cours de cuisson.
Au fur et à mesure que la cuisson se produit, on fait avancer par exemple toutes les 24 heures l'ensemble pipe de soufflage-brûleurs-pipes d'aspiration, chaque chambre assurant ainsi, successivement, les fonctions de chargement des blocs carbonés crus, préchauffage naturel (par les gaz de combustion), préchauffage forcé et cuisson à 1 100-1 200 ° (zone dite plein feu), refroidissement des blocs carbonés (et préchauffage des gaz de combustion), déchargement des blocs carbonés cuits, réparations éventuelles, et reprise d'un nouveau cycle.
L'un des problèmes principaux que pose l'exploitation de ces fours, dont la structure est continuellement soumise à des cycles de refroidissement et de chauffage, est la mise en place des pipes de soufflage et d'aspiration sur les ouvreaux des chambres. En effet, à chaque étape d'avancement du feu, c'est-à-dire des rampes de brûleurs, il faut déplacer, du même pas et dans le même sens, les pipes d'aspiration et de soufflage. Il importe que chacune des tubulures des pipes (souvent appelées « mamelles ») s'introduise dans chacun des ouvreaux correspondants sans les détériorer et en assurant une étanchéité convenable, surtout en ce qui concerne la pipe d'aspiration, de façon à éviter toute entrée d'air indésirable. Relativement aisée sur un four neuf, ou sur une cloison refaite à neuf, cette opération l'est beaucoup moins sur une chambre plus ou moins déformée par les contraintes thermiques et les opérations de chargement et de déchargement des anodes. Il n'est pas rare que l'on ait à effectuer des retouches et des colmatages pour assurer une jonction étanche entre les mamelles et les ouvreaux.
L'objet de l'invention est une pipe - qui peut fonctionner aussi bien en pipe de soufflage qu'en pipe d'aspiration - dont chacune des mamelles est rendue orientable et ajustable en hauteur afin qu'au moment de la mise en place sur une nouvelle chambre on puisse orienter simplement et rapidement chaque mamelle par rotation, de façon que l'axe de la partie inférieure de chaque mamelle coïncide sensiblement avec l'axe de l'ouverture correspondante et s'adapte de façon jointive sur cet ouvreau, avec réglage de la hauteur par coulissement si nécessaire.
De façon plus précise, l'objet de l'invention est une pipe pour four à chambres destinées à la cuisson de blocs carbonés pour la production de l'aluminium, cette pipe comportant un corps principal muni d'une pluralité d'ajutages auxquels se raccordent des tubulures dites « mamelles en nombre égal à celui des lignes de cloisons chauffantes constituant les cloisons des chambres, chacune de ces mamelles devant s'adapter sur les ouvertures dites « ouvreaux » disposées à la partie supérieure de chaque cloison chauffante ou des murs transversaux séparant les différentes chambres du four.
Selon l'invention, chaque mamelle est constituée par au moins deux éléments tubulaires, disposés en série, un premier élément muni d'une part, à sa partie supérieure, d'une bride plane qui coopère en relation jointive et en rotation, avec une bride plane disposée à la partie inférieure de l'ajutage, et d'autre part, à sa partie inférieure, d'une bride plane, en relation jointive, et en rotation, avec une bride plane disposée à la partie supérieure du second élément, le premier et le second élément ayant au moins sur une partie de leur hauteur, un axe incliné d'un angle a par rapport à l'axe perpendiculaire au plan des brides.
Les brides planes sont parallèles entre elles et parallèles au plan contenant les ouvreaux qui est, normalement, un plan horizontal.
Pour assurer le réglagè en hauteur, chaque mamelle comporte, en outre, un troisième élément tubulaire en relation jointive par emboitement partiel coulissant et coaxial avec la partie inférieure du deuxième élément, la partie inférieure de ce troisième élément s'adaptant en relation étanche sur l'ouvreau. Les défauts d'hori- zontabilité sont absorbés par le jeu au niveau de l'emboitement du troisième élément tubulaire.
De préférence, le réglage en hauteur est couplé à l'un des réglages en rotation de la mamelle par un système bielle/manivelle autorisant simultanément la rotation du deuxième élément autour de la bride et le coulissement de sa partie inférieure.
Les figures 1 à 6 illustrent l'invention.
Les figures 1 et 2 rappellent, pour la bonne compréhension de l'invention, la structure d'un four à chambres classiques auquel s'applique la présente invention : sur la coupe de la figure 1, on voit les cloisons (1), reliées à leur partie supérieure par les « mamelles » (2) à la pipe (3) elle-même raccordée au collecteur général (4). Les pipes de soufflage et d'aspiration peuvent être, selon les cas, raccordées aux ouvreaux des chambres ou aux ouvreaux des murs transversaux (9) selon notre brevet FR 2 535 834. Dans les alvéoles (5) sont disposés les blocs carbonés (6), visibles sur l'écorché de la partie gauche de la figure 2.
Les chicanes (7) des cloisons chauffantes ont pour but d'allonger le trajet des gaz chauds et d'homogénéiser la température dans la cloison.
A la partie supérieure des chambres (ou des murs transversaux), les ouvreaux obturables (8) permettent la mise en place des rampes de brûleurs (non représentées), des pipes de soufflage ou d'aspiration d'air (3), et, dans certains cas, d'appareils de mesures (thermocouples, déprimomètres). Les chambres successives sont séparées par des murs transversaux (9). Le grand axe du four est indiqué par la ligne XX'.
Chaque mamelle (2) de la pipe d'aspiration (3) se raccorde à un ouvreau (8) d'une chambre donnée, en relation étanche. La partie supérieure de la mamelle se raccorde à la pipe (3) par un ajutage (10) dans lequel est généralement disposé un volet mobile (11) qui permet, par sa rotation autour d'un axe (11A) de régler le débit dans chaque série de chambres (5).
Selon l'invention, la partie verticale de la mamelle qui pénètre dans l'ouvreau est rendue orientable de façon que l'axe (12) de la partie inférieure coïncide sensiblement avec l'axe (13) de l'ouvreau considéré.
En pratique, la mamelle orientable (14) selon l'invention permet de rattraper un écart de ± 50 mm en excentricité (axes X et Y) et un écart de ± 50 mm en hauteur (axe Z), ces chiffres étant donnés à titre d'exemple et ne constituant pas une limitation de l'invention.
Pour obtenir l'alignement en X et Y, c'est-à-dire selon le grand axe XX' et selon l'axe transversal du four (Y, Y'), la mamelle orientable (14) est constituée en au moins deux éléments, d'une part un élément supérieur (15) qui se raccorde à l'ajutage, partie droite (10) elle-même reliée à la .pipe (3) et d'autre part, un élément intermédiaire (16) pour les réglages en X et Y. Un élément inférieur (17) qui se raccorde à l'ouvreau (8) permet d'assurer le réglage en Z (hauteur). L'élément supérieur (15) comporte lui-même trois parties :
L'élément intermédiaire (16) comporte, de la même façon que la partie supérieure (15) :
La coopération, en relation jointive et en rotation, de l'élément intermédiaire (16) avec l'élément supérieur (15) est réalisée par les mêmes moyens qu'au niveau de la liaison entre l'élément (15) et l'ajutage (10). De même, les deux brides (27) et (26), fixées entre elles par boulons, peuvent recevoir un joint d'étanchéité, par exemple métalloplastique, ou un bourrage de graisse pour haute température injecté par le graisseur (22).
La compensation des décalages en Z, c'est-à-dire selon l'axe vertical ZZ' du four (fig. 2) est obtenue par l'élément inférieur (17), qui s'adapte à l'ouvreau (8) en relation étanche.
Dans le cas représenté, à titre d'exemple, sur la figure 2, en partie basse, l'élément inférieur (17) appuie sur une rainure (30) à la périphérie de. l'ouvreau. Cette rainure peut comporter un joint d'étanchéité (29) résistant à des températures élevées, par exemple en fibre minérale tressée ou feutrée. En outre, l'élément (17) peut être assujetti grâce à des tirants dont la partie inférieure est scellée dans la maçonnerie du four. On notera que, sur la figure 6, l'appui de l'élément (17) s'effectue sur un relief périphérique (32) de l'ouvreau (8) par l'intermédiaire d'un double joint souple (43).
L'élément intermédiaire (16) et l'élément inférieur (17) coopèrent par un emmanchement (33) qui permet de rattraper un écart de niveau (cote Z) entre l'entrée de l'ouvreau et la partie inférieure de la mamelle orientable (14).
Compte tenu des dilatations thermiques et des défauts éventuels de planéité des ouvreaux, il serait malaisé de réaliser un emmanchement coulissant parfaitement étanche. On peut assurer cette étanchéité au moyen d'une liaison souple, telle que le soufflet (34) qui est fixé, en partie haute, sur la rainure (35) et en partie basse sur la rainure (36). Ce soufflet doit pouvoir résister, en service continu, à des températures de l'ordre de 300 à 400 °C. Il est, par exemple, réalisé en fibres de verre imprégnées d'un polymère fluorocar- boné.
Les brides et contre-brides (19) (20) et (27) (30) sont percées de trous pour le passage de boulons, de façon à maintenir la cohésion de l'ensemble. La libre rotation de l'ensemble est assurée par un lubrifiant épais (graisse) pour haute température injecté dans l'espace entre les brides, par l'intermédiaire de graisseurs (21) (22). L'élément intermédiaire (16) comporte, en outre, un dispositif de manoeuvre, constitué par un double système bielle-manivelle, qui permet de réaliser simultanément l'alignement des axes (13) et (12) en Y, c'est-à-dire selon l'axe transversal du four, tout en maintenant ou retouchant l'alignement en X. Lorsque les axes sont alignés en X et Y, ce même dispositif permet d'abaisser l'élément inférieur (17) jusqu'au contact de l'ouvreau (8) (alignement en Z). Ce dispositif de manoeuvre, constitué de façon symétrique par rapport à un plan passant par l'axe (28), comporte un axe (38) traversant diamétralement l'élément (16A), supportant à ses deux extrémités un disque (37A) (37B) muni d'une poignée radiale de manœuvre (38A, 38B) et, est relié par une articulation (43A, 43B) non confondue avec l'axe (38), à l'extrémité supérieure d'une biellette (40A, 40B), dont l'extrémité inférieure comporte une articulation (39A, 39B) fixée sur l'élément inférieur (17).
Le détail du système apparaît sur la figure 6 qui est une coupe de la figure 3 passant par l'axe (38) et, dans un plan perpendiculaire à la figure 3.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant : l'élément inférieur (17) étant remonté au maximum, on met la pipe d'aspiration en place, et l'opérateur repère les écarts éventuels entre l'axe (13), de chaque ouvreau, et l'axe (12) de l'élément inférieur (17). Cet axe (12) peut d'ailleurs être matérialisé par une tige métallique rigide supportée par trois entretoises.
L'opérateur, en agissant sur les poignées (31) réalise l'alignement des axes (13) et (12) en X, c'est-à-dire selon le grand axe du four; puis agissant sur les poignées 38A et 38B, il réalise l'alignement des axes (13) et (12) en Y, c'est-à-dire selon l'axe transversal du four, tout en maintenant ou en retouchant l'alignement en X. A ce moment, les axes (13) et (12) étant alignés, il ne reste plus qu'à opérer l'ajustement selon l'axe Z, c'est-à-dire à descendre l'élément inférieur (17) jusqu'au contact avec la rainure de l'ouvreau (8).
Cette dernière manoeuvre s'effectue également à l'aide de poignées (38A, 38B), mais cette fois en rotation autour de l'axe (38). Le guidage de l'élément inférieur (17) lors de son alignement en Z (montée ou descente) est assuré par un trou oblong (41) pratiqué dans l'élément (16) dans lequel coulisse un ergot (42) solidaire de l'élément (17).
Cet ensemble d'opérations, facile et rapide, sera répété sur les 6 et 7 mamelles de la pipe d'aspiration, qui sera ainsi parfaitement ajustée aux 6 ou 7 ouvreaux de la chambre ou du mur de séparation concerné.
On peut noter que la structure des éléments supérieurs (15) et intermédiaires (16) pourrait être simplifiée, comme l'indiquent les figures 4 et 5, en supprimant partiellement ou totalement les parties cylindriques à axe vertical, et en ne conservant que les parties médianes (15A, 16A) à axe incliné d'un angle a.
Sur la figure 5, l'élément (16A) a été tourné d'un angle de façon à compenser l'écart « e », en Y de l'axe (13) de l'ouvreau avec l'axe (23) de l'ajutage (10).
On notera également le rattrapage en Z, de la différence de hauteur h de l'ouvreau en jouant sur la jonction coulissante (33). L'écart existant entre la jonction coulissante (33) et l'élément intermédiaire (16) permet de compenser un éventuel défaut de planéité de l'ouvreau.
Dans le cas des figures 4 et 5, la référence des axes (23) (24) (24A) (25) et (28) sera prise par rapport aux plans des brides de jonction (18) (19), (26) (27), puisqu'il n'y a plus de partie cylindrique. Cette référence reste valable dans le cas de la figure 3. Le plan des brides est normalement horizontal.
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation des brides de liaison entre les éléments (10) (15), (15) (16) ou de l'emmanchement entre (16) (17). Tout moyen équivalent permettant d'assurer une rotation conservant la jonction étanche et un réglage en hauteur conservant également la jonction étanche fait partie de l'invention.
Enfin, la détermination de l'angle a peut être effectuée par l'utilisation à partir de considérations géométriques simples, en considérant d'une part la hauteur de la partie à axe incliné de la mamelle et l'écart d'excentricité à rattraper (de l'ordre de 50 mm, et au-delà si nécessaire). La hauteur de la partie inclinée d'un élément (15) ou (16) étant par exemple de 90 mm, on aura tg a = 50/90, d'où a = 29°.
Outre la facilité d'alignement en X et en Y des axes des mamelles avec les axes de chacun des ouvreaux, il faut souligner que le réglage en Z (en hauteur) permet, en relevant au maximum les éléments inférieurs (17), lors du montage, d'éviter une prise de contact brutale entre la partie inférieure des mamelles et les ouvreaux lorsqu'on met la pipe en place au moyen d'un pont-roulant, d'où suppression de tout risque d'endommagement des ouvreaux et même de l'ensemble de la maçonnerie.
Le dispositif permettant simultanément d'abaisser la partie inférieure de la mamelle et d'assurer sa rotation augmente la facilité et la précision de la manipulation, et garantit ainsi la meilleure étanchéité possible des raccordements des pipes d'admission ou de soufflage, sur les ouvreaux.