EP0180491A1 - Procédé de réparation du revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique par gunitage à travers une flamme - Google Patents

Procédé de réparation du revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique par gunitage à travers une flamme Download PDF

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gunning
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refractory
thickness
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Claude Guenard
Robert Adam
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Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/16—Making or repairing linings increasing the durability of linings or breaking away linings
    • F27D1/1636—Repairing linings by projecting or spraying refractory materials on the lining
    • F27D1/1642—Repairing linings by projecting or spraying refractory materials on the lining using a gunning apparatus
    • F27D1/1647—Repairing linings by projecting or spraying refractory materials on the lining using a gunning apparatus the projected materials being partly melted, e.g. by exothermic reactions of metals (Al, Si) with oxygen
    • F27D1/1652—Flame guniting; Use of a fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices

Definitions

  • the invention relates to the repair of the refractory lining of a metallurgical container (in particular a steelworks converter or a transfer and / or treatment pocket) by spraying through a flame a gunning material.
  • a metallurgical container in particular a steelworks converter or a transfer and / or treatment pocket
  • the material projecting through a flame must contain at least two types of constituents: a first - the main aggregate, of the same nature as that of the material making up the coating to be repaired - which remains solid through the flame and which constitutes the reinforcement of the sprayed product, and a second - the binder: voluntary addition or impurities present in the product - which serves as cement for the main aggregate.
  • the material is delivered in powder form to a burner, which is advantageously a "multidard" burner as described in French patent application No. 8215461 in the name of the Applicant.
  • the main aggregate is conventionally a magnesian material (based on MgO and CaO) or aluminous (based on alumina A1 2 0 3 ).
  • the binder in the first case, is generally based on phosphates or sodium or calcium silicates, whereas in the case of an aluminous aggregate, a binder based on calcium aluminates is usually used. It is also known that a binder consisting of oxygen converter slag (LD, OLP, etc.) can be suitable for both a magnesium aggregate and an aluminous aggregate.
  • the object of the invention is to find a remedy for the poor behavior of the layers projected in the conventional manner.
  • This object is achieved according to the invention by the fact that one puts in place, by projection of a refractory material of gunning through a flame, two superimposed layers of the same material, the first layer having, on the one hand , porosity total of 15 to 25% in order to promote its adhesion to the coating by impregnation with the slag present on the surface of this coating, and on the other hand, a thickness sufficient to be able to be impregnated with all of this slag, the second layer having an apparent density of at least 3.1 kg / dm 3 in order to promote the resistance of the sprayed material to chemical and mechanical attack from the molten bath which the metallurgical container will contain.
  • the inventors have in fact discovered that the quality of the sprayed layer depends closely on its density (and therefore vice versa, on its porosity). They were able to show that when the sprayed layer is very dense, there is no reaction between the sprayed product and the slag layer remaining on the coating to be repaired. It follows that during the metallurgical operation (refining or bag treatment) following the projection, the intermediate layer of slag melts and causes the detachment of the projected layer.
  • the sprayed layer is porous, there is reaction and interdiffusion between the slag and the sprayed layer, which ensures the latter a good adhesion by impregnation by the slag.
  • the porosity of the layer makes it vulnerable to chemical corrosion and mechanical erosion.
  • an excellent behavior of the sprayed product is obtained by first spraying a porous layer, intended to ensure adhesion by impregnation with the slag, then over, a dense layer, intended to ensure the high resistance to corrosion. and subsequent erosion by the molten metal bath.
  • total porosity designates the ratio of the volume of the pores (open and closed) to the total apparent volume (ie matter + pores). This ratio is usually multiplied by 100 in order to be able to express the total porosity in percentages. For flame gunning products, the porosity is almost exclusively open. "Bulk density” is the ratio of the body mass at its apparent volume. For the same material, apparent density and porosity are linked by the following relationship: the apparent density is equal to the product of the absolute density by the difference 1-porosity.
  • Porosity is a geometric characteristic independent of the nature of the material, unlike density. Strictly speaking, it is therefore necessary to compare the porosities and not the densities of various products. However, in the remainder of this thesis, taking into account the fact that the products studied have close absolute densities, we will use either concept.
  • FIG. 1 a graph showing on the ordinate the porosity of the sprayed product (magnesium aggregate MgO-CaO) expressed in%, and on the abscissa the content of binder (calcium phosphate) expressed in% relative to the weight of aggregate.
  • the experiment was carried out with a specific gunning power constant at 2.5 kW / kg.
  • the graph shows that there is a direct relationship of inverse proportionality between the binder content and the porosity
  • the graph in FIG. 2 was obtained for a product based on MgO, CaO - ⁇ -containing 7.5% of binder f consisting of calcium phosphate.
  • the apparent density increases linearly to a maximum of 3.30 (or about 7% of porosity) for a power of 6 kW / kg, then stabilizes at this value when the specific power increases further.
  • This value of 3.30 in fact represents the maximum possible value that the density which is measured when cold can reach; the difference between this value and the theoretical density (3.55) of the product seems to correspond to the shrinkage due to the volume contraction of the product during its cooling.
  • Figure 3 gives the results obtained on products containing 2.5-7.5-12-15 and 20% of binder.
  • a second conclusion is that it is possible to carry out the deposition, in accordance with the invention, by varying the specific power of the burner and in particular by varying the powder flow rate.
  • the recommended thickness of approximately 5 mm for the first layer is in the middle of the range of determined values from 3 to 8 mm.
  • the layer may be insufficiently thick to incorporate, by diffusion, all of the slag, so that detachments are to be feared following a melting of the residual slag at the interface between the refractory lining pre -existent and the projected layer.
  • the slag may be in insufficient quantity to impregnate the layer throughout its thickness, which can lead to delamination due to the poor mechanical resistance of the surface portion not impregnated with the sprayed layer. .
  • the thicknesses recommended for this second layer are dictated in a nonlimiting manner only by production requirements. Below 1 cm in thickness, repetitive repairs may become too frequent compared to the usual practice which is about one repair every 8 h. Beyond 2 cm, taking into account the powder flow limits, the repair time may exceed the 10 to 15 minutes generally available in the production cycle at the steelworks.

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Abstract

On met en place deux couches superposées, la seconde couche ayant une densité plus forte que la première couche de manière, d'une part, à favoriser l'adhérence de la première couche au revêtement par diffusion du laitier présent à la surface de ce revêtement et, d'autre part, à améliorer la résistance de la seconde couche aux agressions chimiques et mécaniques du bain de matière en fusion contenue dans le récipient.
La première couche a une porosité de 15 à 25% tandis que la seconde couche a une densité apparente minimale de 3,1 kg/dm'.
L'épaisseur de la première couche est d'environ 5 mm et celle de la seconde couche d'environ 1 à 2 cm.
Application aux convertisseurs d'aciérie ainsi qu'à toute poche métallurgique pour le transfert ou le traitement des bains métalliques.

Description

  • L'invention concerne la réparation du revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique (notamment un convertisseur d'aciérie ou une poche de transfert et/ou de traitement) par projection à travers une flamme d'un matériau de gunitage.
  • On sait que le matériau de projection à travers une flamme doit contenir au moins deux types de constituants : un premier - le granulat principal, de même nature que celle du matériau composant le revêtement à réparer - qui demeure solide en traversant la flamme et qui constitue l'armature du produit projeté, et un second - le liant : ajout volontaire ou impuretés présentes dans le produit - qui sert de ciment au granulat principal. Le matériau est délivré sous forme de poudre à un brûleur, qui est avantageusement un brûleur "multidard" tel que décrit dans la demande de brevet français n° 8215461 au nom du Demandeur.
  • On rappelle que le granulat principal est classiquement un matériau magnésien (à base de MgO et CaO) ou alumineux (à . base d'alumine A1203).Le liant, dans le premier cas, est généralement à base de phosphates ou de silicates de sodium ou de calcium, alors que dans le cas d'un granulat alumineux, on emploie habituellement un liant à base d'aluminates de calcium. On sait également qu'un liant constitué par du laitier de convertisseur à l'oxygène (LD, OLP ...) peut convenir à la fois à un granulat magnésien et à un granulat alumineux.
  • Il a été observé que le comportement des couches projetées de manière classique n'est souvent pas satisfaisant lors de la remise en service du récipient suivant la projection : dans certains cas, le produit projeté se détache de la paroi, dans d'autres cas, il subit une forte corrosion chimique et une érosion mécanique de la part du bain métallique en fusion contenu dans le récipient.
  • Le but de l'invention est de trouver un remède à la mauvaise tenue des couches projetées de manière classique.
  • Ce but est atteint selon l'invention par le fait que l'on met en place, par projection d'une matière réfractaire de gunitage à travers une flamme, deux couches superposées de la même matière, la première couche ayant, d'une part, une porosité totale de 15 à 25 % afin de favoriser son adhérence au revêtement par imprégnation par le laitier présent à la surface de ce revêtement, et d'autre part, une épaisseur suffisante pour pouvoir être imprégnée par la totalité de ce laitier, la seconde couche ayant une densité apparente d'au moins 3,1 kg/dm3 afin de favoriser la résistance de la matière projetée aux agressions chimiques et mécaniques du bain en fusion que va contenir le récipient métallurgique.
  • Les inventeurs ont en effet découvert que la qualité de la couche projetée dépend étroitement de sa densité (et donc inversement, de sa porosité). Ils ont pu parvenir à montrer que lorsque la couche projetée est très dense, il n'y a pas de réaction entre le produit projeté et la couche de laitier subsistant sur le revêtement à réparer. Il s'ensuit que lors de l'opération métallurgique (affinage ou traitement en poche) suivant la projection, la couche intermédiaire de laitier fond et entraîne le détachement de la couche projetée.
  • Lorsqu'au contraire la couche projetée est poreuse, il y a réaction et interdiffusion entre le laitier et la couche projetée, ce qui assure à celle-ci une bonne adhérence par imprégnation par le laitier. Malheureusement, la porosité de la couche rend celle-ci vulnérable à la corrosion chimique et à l'érosion mécanique.
  • Selon l'invention, on obtient un excellent comportement du produit projeté en commençant par projeter une couche poreuse, destinée à assurer l'adhérence par imprégnation par le laitier, puis par dessus, une couche dense, destinée à assurer la résistance élevée à la corrosion et à l'érosion ultérieures par le bain de métal en fusion.
  • Pour une bonne compréhension de l'invention, on rappelle qu'on désigne, par "porosité totale," le rapport du volume des pores (ouverts et fermés) au volume apparent total (i.e. matière + pores). Ce rapport est habituellement multiplié par 100 afin de pouvoir exprimer la porosité totale en pourcentages. Pour les produits de gunitage à la flamme, la porosité est presque exclusivement ouverte. La "densité apparente" est le rapport de la masse du corps à son volume apparent. Pour un même matériau, densité apparente et porosité sont liées par la relation suivante : la densité apparente est égale au produit de la densité absolue par la différence 1-porosité.
  • La porosité est une caractéristique géométrique indépendante de la nature du matériau, au contraire de la densité. En toute rigueur, il faut donc comparer les porosités et non les densités de divers produits. Toutefois, dans la suite de ce mémoire, compte tenu du fait que les produits étudiés possèdent des densités absolues voisines, on recourra indifféremment à l'une ou l'autre notion.
  • D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de l'exposé qui va suivre, où il sera fait référence aux graphiques annexés qui représentent :
    • - en figure 1, l'influence de la teneur en liant présent dans le produit projeté sur sa porosité ;
    • - en figure 2, le rôle de la puissance spécifique sur la densité apparente et la porosité totale des couches projetées ;
    • - en figure 3, l'influence de la teneur en liant sur la densité apparente des produits projetés ;
    • - en figure 4, la puissance nécessaire pour obtenir une densité apparente donnée en fonction d'une teneur en liant.
  • Les inventeurs ont établi en figure 1 un graphique portant en ordonnée la porosité du produit projeté (granulat magnésien MgO-CaO) exprimée en %, et en abscisse la teneur en liant (phosphate de calcium) exprimée en % par rapport au poids de granulat. L'expérience a été menée avec une puissance spécifique de gunitage constante à 2,5 kW/kg. Le graphique montre qu'il existe une relation directe de proportionnalité inverse entre la teneur en liant et la porosité,
  • Des expériences réalisées en four expérimental, ainsi qu'en poche à acier et en convertisseur, ont permis de déterminer la relation entre la puissance spécifique (quantité de chaleur fournie par le brûleur par kilogramme de poudre de matériau de gunitage) et la densité ou, inversement, la porosité de la couche projetée.
  • Le graphique de la figure 2 a été obtenu pour un produit à base de MgO, CaO -µ-contenant 7,5 % de liant f constitué par du phosphate de calcium.
  • Lorsque la puissance spécifique est voisine de 0, la densité apparente est celle du produit projeté à froid ; sa valeur est proche de celle du produit en vrac (densité = 1,50 soit environ 60 % de porosité). Lorsque la puissance spécifique croit, la densité apparente augmente linéairement jusqu'à un maximum de 3,30 (soit environ 7 % de porosité) pour une puissance de 6 kW/kg, puis se stabilise à cette valeur lorsque la puissance spécifique croît encore.
  • Cette valeur de 3,30 représente en fait la valeur maximale possible que peut atteindre la densité qui est mesurée à froid ; l'écart entre cette valeur et la densité théorique (3,55) du produit semble correspondre au retrait dû à la contraction volumique du produit lors de son refroidissement.
  • Ainsi, pour ce type de matériau, il est inutile d'opérer avec une puissance spécifique supérieure à 6 kW/kg.
  • La relation linéaire existant entre densité apparente et puissance spécifique traduit le fait que lorsque cette dernière augmente (et que donc la concentration en particules dans la flamme diminue), le nombre de particules de liant atteignant leur température de fusion augmente en raison d'un meilleur échange thermique dans la flamme (convection) et entre particules (rayonnement).
  • Pour accroître la densité, tout en réduisant la consommation en énergie, des essais ont été réalisés sur des produits possédant des teneurs variées en éléments de liaison. La figure 3 donne les résultats obtenus sur des produits contenant 2,5-7,5-12 - 15 et 20 % de liant.
  • On constate, lorsque la teneur en liant croît, un décalage des maxima admissibles de puissance spécifique vers les faibles valeurs : pour une densité de 3,30, le maximum est voisin de 7,3 kW/kg pour une teneur en liant de 2,5 %, et n'est plus que de 3 kW/kg pour 20 % de liant. En combinant ces données, il est possible de définir, pour un type de produit et en fonction de sa composition, la puissance spécifique nécessaire pour atteindre la valeur de densité d souhaitée (fig. 4).
  • Il ressort clairement de la figure 4 que pour de faibles valeurs de puissance spécifique, il suffit d'une faible variation de puissance (par variation du débit de poudre par exemple), pour entraîner une variation importante de densité, alors que pour des puissances plus élevées, une variation identique a des effets moins marqués sur la densité.
  • Une première conclusion est qu'accroître la puissance spécifique est un bon moyen pour améliorer l'homogénéité des couches projetées, mais il se solde également par une augmentation du coût énergétique.
  • Une seconde conclusion est qu'il est possible de procéder à la déposition, conformément à l'invention, en faisant varier la puissance spécifique du brûleur et notamment en faisant varier le débit de poudre.
  • Ainsi, dans sa forme de réalisation la plus avantageuse, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes :
    • - avant projection, réchauffage de la paroi à réparer à l'aide du brûleur pour en éliminer le laitier superflu (si l'épaisseur de laitier est supérieure à quelques millimètres) ;
    • - en début de projection, mise en place d'une couche de quelques millimètres (avantageusement 5 mm, épaisseur optimale pour permettre, par diffusion, une imprégnation de toute la couche par du laitier sans compromettre la résistance de l'ensemble) de produit à porosité comprise entre 15 et 25 % (un écart avec cette gamme conduit, soit à des risques de décollement en-deçà de 15 %, soit à une usure plus rapide et à des écaillages au-delà de 25 %) ;
    • - ensuite, projection d'un produit très dense (3,1 à 3,3 kg/dm'), la différence de densité étant obtenue en faisant varier le débit de poudre dans le brûleur. L'épaisseur de cette deuxième couche est de 1 à 2 cm en projection classique mais peut atteindre, si on le souhaite, des valeurs supérieures sans inconvénient pour l'invention.
  • On signale que l'épaisseur préconisée de 5 mm environ pour la première couche se situe au milieu de la gamme de valeurs déterminées allant de 3 à 8 mm. En-deçà de 3 mm en effet, la couche peut être insuffisamment épaisse pour incorporer, par diffusion, la totalité du laitier, de sorte que des décollements sont à craindre suite à une fusion du laitier résiduel à l'interface entre le revêtement réfractaire pré-existant et la couche projetée. Au-delà de 8 mm, au contraire, le laitier peut être en quantité insuffisante pour imprégner la couche dans toute son épaisseur, ce qui peut conduire à des décollements en raison de la mauvaise résistance mécanique de la partie superficielle non imprégnée de la couche projetée.
  • Pour ce qui concerne la gamme de densité préconisée pour la deuxième couche (entre 3,1 et 3,3 kg/dm3), on indique que :
    • - dans le cas des poches de transfert ou de traitement, le facteur prépondérant étant les chocs thermiques répétitifs dus à la fréquence relativement élevée des opérations de remplissage et de vidange, on choisira de préférence des valeurs de densité moins élevées, i.e. de 3,1 à 3,2 kg/dm' ;
    • - à l'inverse, pour les convertisseurs d'affinage, le facteur d'usure prépondérant étant l'érosion à la fois chimique et mécanique de la part du bain en fusion, on optera pour les densités les plus élevées, i.e. supérieures à 3,2 kg/dm3.
  • Quant aux épaisseurs préconisées pour cette deuxième couche, elles sont dictées de façon non limitative uniquement par les impératifs de production. En-deçà de 1 cm d'épaisseur, les réparations répétitives risquent de devenir trop fréquentes par rapport à la pratique habituelle qui est d'environ une réparation toutes les 8 h. Au-delà de 2 cm, compte tenu des limites en débit de poudre, le temps de réparation risque de dépasser les 10 à 15 minutes généralement disponibles dans le cycle de production à l'aciérie.
  • Enfin, pour atteindre à coup sûr les puissances spécifiques élevées nécessaires à l'explication de cette seconde couche à haute densité, il est vivement conseillé d'utiliser le canon de gunitage décrit dans la demande de brevet français n° 82/15261 déjà citée et constitue schématiquement par un faisceau de nombreux tubes accolés de petit diamètre agissant comme autant de petits brûleurs et recevant chacun à leur extrémité de sortie une fraction égale du débit total de poudre.

Claims (9)

1) Procédé de réparation du revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique, à travers une flamme, d'une matière réfractaire de gunitage, caractérisé en ce que l'on met en place deux couches superposées de la même matière, la première couche ayant, d'une part, une porosité totale de 15 à 25 % de manière à favoriser son adhérence au revêtement par imprégnation par le laitier présent à la surface dudit revêtement, et d'autre part, une épaisseur suffisante pour pouvoir être imprégnée par la totalité dudit laitier, la seconde couche ayant une densité apparente d'au moins 3,1 kg/dm3 afin de favoriser la résistance de la matière projetée aux agressions chimiques et mécaniques du bain en fusion que l'on va par la suite former dans ledit récipient.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite première couche est comprise entre 3 et 8 mm environ.
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite épaisseur est égale à 5 mm environ.
4) Procédé selon la revendication 1 pour la réparation du revêtement réfractaire d'une poche métallurgique de transfert ou de traitement, caractérisé en ce que la densité apparente de la seconde couche n'excède pas 3,2 kg/dm3 environ.
5) Procédé selon la revendication 1 pour la réparation du revêtement réfractaire d'un convertisseur d'aciérie, caractérisé en ce que la densité apparente de la seconde couche est au moins égale à 3,2 kg/dm3 environ.
6) Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la seconde couche est comprise entre 1 et 2 cm environ.
7) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en place lesdites deux couches superposées à l'aide d'un canon de gunitage constitué par un faisceau de tubes accolés recevant chacun à leur extrémité de sortie une fraction égale du débit total de matière de gunitage sous forme de poudre, tel que décrit dans le document FR-A-82/15261.
8) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait varier la densité des couches superposées en modulant la puissance spécifique de gunitage.
9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on module la puissance spécifique de gunitage en faisant varier le débit de matière de gunitage.
EP85401782A 1984-09-21 1985-09-16 Procédé de réparation du revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique par gunitage à travers une flamme Expired EP0180491B1 (fr)

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