EP0618301A1 - Dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve - Google Patents

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EP0618301A1
EP0618301A1 EP94101358A EP94101358A EP0618301A1 EP 0618301 A1 EP0618301 A1 EP 0618301A1 EP 94101358 A EP94101358 A EP 94101358A EP 94101358 A EP94101358 A EP 94101358A EP 0618301 A1 EP0618301 A1 EP 0618301A1
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refractory
ball joint
brick
profiled
tubular element
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Jean Benck
Pierre Mailliet
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Paul Wurth SA
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/16—Tuyéres
    • C21B7/163—Blowpipe assembly

Definitions

  • the present invention relates to a device for injecting preheated air into a shaft furnace consisting of several separate tubular elements consisting of an outer steel shield and an inner lining of cast refractory concrete, connected two by two by a spherical joint and a compensator.
  • the devices for injecting preheated air are exposed to mobility and leakage problems. Indeed, as a result of the high temperature of the preheated air (temperature of the order of 1,200 ° C. or more) and the high temperature prevailing inside the oven, the wall of the latter, as well as the supply line and the wind carrier are exposed to thermal expansion and deformation causing significant relative displacements between the supply line and the wall of the furnace. It is therefore necessary that the wind carrier is able to compensate for these relative displacements while avoiding leaks of gas or preheated air.
  • US Patent No. 3,766,868 provides a blast connection of the type described in the preamble.
  • This wind carrier was subsequently perfected by the design of universal joints with a spherical joint of the kind described in document DE-C2-2218331.
  • the articulations of this wind carrier allow the compensation of all relative movements between the supply line and the wall of the furnace.
  • the tightness at the joints is ensured by bellows compensators, while the mechanical stability is ensured for example by associated cardanic connections, at the two universal joints, at the two opposite ends of the central tubular element.
  • the most stressed and delicate place is always at the level of the joints. Indeed, the mobility of the patella relative to its base often causes friction of refractory concrete on refractory concrete. The refractory concrete at the tip of the ball joint can be damaged and fragments can possibly be torn off.
  • microcracks can form in certain places which are the cause of annoying circulation and vortices.
  • the object of the present invention is to provide a new system of articulations which better withstands both the thermal and mechanical stresses to which it is subjected.
  • the device proposed by the present invention is essentially characterized in that at least the convex ball joint of the spherical joint comprises a profiled refractory brick anchored in the lining of interior refractory concrete.
  • the radius of curvature of each spherical joint is of the order of magnitude of the external radius of the tubular elements. This small radius of curvature ensures better guiding of the ball joints in their base allowing the conservation of the same thickness of the joint during the angular movement.
  • the coating of refractory steel extends to the convex part of the patella and ends in a projecting lip on which the profiled refractory brick is supported.
  • the support lip combined with the reduced radius of curvature ensures that the support forces are always perpendicular to the radius of curvature. In this way, the risk of fragments being torn off from the profiled refractory brick is eliminated.
  • the concave base can also be formed from profiled refractory brick anchored in the interior lining of refractory concrete. This avoids the formation of microcracks and improves thermal insulation at the concave base of the ball joint.
  • An insulating mat can, if necessary, be interposed between the profiled refractory brick and the external shielding.
  • the ball joint and the tubular element can form a single block with the refractory lining of the tubular element, or the ball joint can constitute a separate element, mounted on the tubular element and separated from the inner lining of the latter by an annular seal.
  • the shielding of the tubular element and that of the adjacent tubing can be connected directly to each other through a compensator, or by means of a flange or a detachable weld.
  • a refractory soft seal between the ball joint and the plate can be partially attached to the shield and partially to the edge of the plate. It can also be partially attached in an interior housing of the cylindrical sheath and partially on the refractory. According to another variant, it can also be partially attached to the refractory and partially in a housing delimited by the upper part of the sheath and by a ring welded inside the shielding.
  • Figure 1 shows two tubular elements 10, 12 of a wind carrier connected by a ball joint 14 and a bellows compensator 16.
  • the tubular elements 10, 12 include an outer shield made of refractory steel 18 and an internal coating of cast refractory concrete 20.
  • the hot wind passes through a central lumen 22 arranged in the refractory concrete 20.
  • the articulation 14 is formed by a convex ball 24 and a concave plate 26.
  • the ball 24 is formed by a profiled refractory brick 28.
  • the brick comprises an annular anchoring surface 29 specially studied which makes it possible to fix it securely in the internal lining of refractory concrete poured 20.
  • the convex part of the ball joint 24 has a radius of curvature which is between 0.8 and 1.2 times the outside radius of the tubular elements 10, 12.
  • a sheath 30 of refractory steel extends up to the convex part of the ball 24 and ends with a projecting lip 32 which forms a bearing surface for the brick 28.
  • the convex ball 24 is connected to the tubular element 10 by a flange 34 and an annular seal 36. This facilitates the assembly and disassembly of the ball joint 24.
  • a space 38 which is sealed on its periphery by a soft seal 40 fixed to the shield 18 and by a soft seal 42 which adheres to the outer edge of the plate 26.
  • the soft seal 40 is attached to a housing 39 delimited by two rings welded inside the shield 18.
  • Figure 2 shows another preferred embodiment of a hinge for a blower.
  • an insulating mat 44 has been introduced which provides better thermal insulation of the convex ball joint 24 and of the compensator 16.
  • the anchoring surface 129 of the refractory brick 28 in the internal coating of cast refractory concrete 20 has a "dovetail" shape. This particular shape of the anchoring surface 129 keeps the refractory brick 28 in place and prevents it from moving vertically and horizontally.
  • FIG. 3 represents yet another preferred embodiment of an articulation of a wind-blower in which both the convex ball joint 24 and the hollow plate 26 are formed from profiled refractory bricks 28, 48.
  • An advantage of this embodiment is that the formation of microcracks at the level of the concave plate is eliminated.
  • a soft seal 142 attached to the refractory brick 48 of the concave plate 26, and the soft seal 40 seal the space provided between the convex ball 24 and the concave plate 26.
  • Figure 4 shows an articulation of a wind carrier in which the convex ball 24 and the concave plate 26 are formed in profiled refractory brick 28, 148.
  • An insulating mat 130 is interposed between the refractory steel shield 18 and the brick 148 to improve thermal insulation.
  • An anchoring surface 229 in the form of a "dovetail" maintains the brick 148 in the coating of cast refractory concrete.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve constitué de plusieurs éléments tubulaires (10, 12) distincts comprenant un blindage extérieur (18) en acier et un revêtement intérieur en béton réfractaire coulé (20), relié deux à deux par une articulation sphérique et un compensateur (16). L'articulation sphérique (14) comprend une rotule convexe (24) solidaire d'un premier élément tubulaire et pouvant pivoter dans une assiette concave (26) solidaire d'un deuxième élément tubulaire. Au-moins la rotule convexe (24) de l'articulation sphérique comprend une brique réfractaire profilée (28) ancrée dans le revêtement réfractaire intérieur (20) en béton réfractaire coulé. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve constitué de plusieurs éléments tubulaires distincts consistant en un blindage extérieur en acier et un revêtement intérieur en béton réfractaire coulé, relié deux à deux par une articulation sphérique et un compensateur.
  • Les dispositifs d'injection d'air préchauffé, plus généralement connus sous le nom de "porte-vent", sont exposés à des problèmes de mobilité et d'étanchéité. En effet, par suite de la température élevée de l'air préchauffé (température de l'ordre de 1 200°C ou plus) et de la température élevée régnant à l'intérieur du four, la paroi de ce dernier, ainsi que la conduite d'alimentation et le porte-vent sont exposés à des dilatations et déformations thermiques causant des déplacements relatifs non-négligeables entre la conduite d'alimentation et la paroi du four. Il faut donc que le porte-vent soit en mesure de compenser ces déplacements relatifs tout en évitant des fuites de gaz ou d'air préchauffé.
  • Pour répondre à ces exigences, le brevet US No 3,766,868 propose un porte-vent du genre décrit dans le préambule. Ce porte-vent a, par la suite, été perfectionné par la conception d'articulations universelles à joint sphérique du genre décrit dans le document DE-C2-2218331. Les articulations de ce porte-vent permettent la compensation de tous les mouvements relatifs entre la conduite d'alimentation et la paroi du four. L'étanchéité au niveau des articulations est assurée par des compensateurs à soufflets, alors que la stabilité mécanique est assurée par exemple par des liaisons à cardan associées, au niveau des deux articulations universelles, aux deux extrémités opposées de l'élément tubulaire central.
  • L'endroit le plus sollicité et le plus délicat se situe toujours au niveau des articulations. En effet, la mobilité de la rotule par rapport à son assiette entraîne souvent des frottements de béton réfractaire sur du béton réfractaire. Le béton réfractaire de la pointe de la rotule peut être endommagé et des éclats peuvent éventuellement être arrachés.
  • Aussi, vu les grandes variations de températures, des microfissures peuvent se former à certains endroits qui sont la cause de circulations et tourbillons gênants.
  • Le brevet américain US 5,209,657 propose d'étendre le blindage métallique formant la gaine de la rotule jusqu'à la base diamétrale de la rotule convexe. Cette invention améliore grandement la stabilité mécanique des rotules convexes et permet un meilleur glissement de la rotule convexe dans l'assiette concave du segment adjacent.
  • Cependant à la longue, l'acier réfractaire formant la pointe de la rotule se calamine et toute la gaine de la rotule doit être remplacée.
  • Le but de la présente invention est de prévoir un nouveau système d'articulations qui résiste mieux à la fois aux sollicitations thermiques et mécaniques auxquelles il est soumis.
  • Pour atteindre cet objectif, le dispositif proposé par la présente invention est essentiellement caractérisé en ce qu'au moins la rotule convexe de l'articulation sphérique comprend une brique réfractaire profilée ancrée dans le revêtement en béton réfractaire intérieur.
  • La fabrication de la rotule convexe en brique réfractaire profilée permet de trouver un meilleur compromis entre la stabilité mécanique et la stabilité thermique. En effet, ces rotules en brique réfractaire profilée présentent une stabilité mécanique supérieure aux rotules formées en béton réfractaire coulé et possèdent une stabilité thermique supérieure aux rotules en béton réfractaire coulé muni d'une gaine de protection en acier réfractaire.
  • Grâce au meilleur compromis entre la stabilité mécanique et la stabilité thermique, le risque que des microfissures se forment et que la rotule se dégrade est quasi inexistant. La maintenance devient plus facile et moins onéreuse.
  • Il est aussi important de souligner qu'une meilleure isolation thermique au niveau des rotules peut être atteinte.
  • Selon un premier mode de réalisation du porte-vent, le rayon de courbure de chaque articulation sphérique est de l'ordre de grandeur du rayon extérieur des éléments tubulaires. Ce faible rayon de courbure assure un meilleur guidage des rotules dans leur assiette permettant la conservation de la même épaisseur du joint lors du mouvement angulaire.
  • Selon un autre mode de réalisation, le revêtement en acier réfractaire s'étend jusqu'à la partie convexe de la rotule et se termine par une lèvre en saillie sur laquelle la brique réfractaire profilée prend appui. La lèvre d'appui combinée au rayon de courbure réduit permet de garantir que les forces d'appui sont toujours perpendiculaires au rayon de courbure. De cette manière, les risques que des éclats ne soient arrachés de la brique réfractaire profilée sont éliminés.
  • L'assiette concave peut également être formée en brique réfractaire profilée ancrée dans le revêtement intérieur en béton réfractaire. Ceci permet d'éviter la formation de microfissures et d'améliorer l'isolation thermique au niveau de l'assiette concave de la rotule.
  • Un tapis isolant peut, au besoin, être interposé entre la brique réfractaire profilée et le blindage extérieur.
  • La rotule et l'élément tubulaire peuvent former un seul bloc avec le revêtement réfractaire de l'élément tubulaire, ou bien la rotule peut constituer un élément séparé, monté sur l'élément tubulaire et séparé du revêtement intérieur de ce dernier par un joint annulaire.
  • Le blindage de l'élément tubulaire et celui de la tubulure adjacente peuvent être reliés directement l'un à l'autre à travers un compensateur, ou par l'intermédiaire d'une bride ou d'une soudure détachable.
  • Un joint mou réfractaire entre la rotule et l'assiette peut être attaché partiellement sur le blindage et partiellement sur le bord de l'assiette. Il peut également être attaché partiellement dans un logement intérieur de la gaine cylindrique et partiellement sur le réfractaire. Selon une autre variante, il peut également être attaché partiellement sur le réfractaire et partiellement dans un logement délimité par la partie supérieure de la gaine et par un anneau soudé à l'intérieur du blindage
  • D'autres particularités et caractéristiques ressortiront de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux Figures annexées dans lesquelles :
    • la Figure 1 représente une coupe axiale d'une articulation sphérique d'un porte-vent dont la rotule convexe est formée en brique réfractaire profilée;
    • la Figure 2 montre une coupe axiale d'une articulation sphérique d'un porte-vent dont la rotule convexe est formée en brique réfractaire profilée selon un autre mode de réalisation préféré;
    • la Figure 3 représente une coupe axiale d'une articulation sphérique d'un porte-vent dont la rotule et l'assiette sont formées en brique réfractaire profilée;
    • la Figure 4 montre un autre mode de réalisation préféré d'une articulation d'un porte-vent en coupe axiale.
  • La Figure 1 montre deux éléments tubulaires 10, 12 d'un porte-vent reliés par une articulation sphérique 14 et un compensateur à soufflet 16. Les éléments tubulaires 10, 12 comprennent un blindage extérieur en acier réfractaire 18 et un revêtement interne en béton réfractaire coulé 20. Le vent chaud passe à travers une lumière centrale 22 aménagée dans le béton réfractaire 20. L'articulation 14 est formée par une rotule convexe 24 et une assiette concave 26. La rotule 24 est formée par une brique réfractaire 28 profilée. La brique comprend une surface annulaire d'ancrage 29 spécialement étudiée qui permet de la fixer solidement dans le revêtement interne en béton réfractaire coulée 20.
  • La partie convexe de la rotule 24 a un rayon de courbure qui est compris entre 0,8 et 1,2 fois le rayon extérieur des éléments tubulaires 10, 12. Une gaine 30 en acier réfractaire s'étend jusqu'à la partie convexe de la rotule 24 et se termine par une lèvre saillante 32 qui forme une surface d'appui pour la brique 28.
  • La rotule convexe 24 est reliée à l'élément tubulaire 10 par une bride 34 et un joint 36 annulaire. Ceci facilite le montage et le démontage de la rotule 24.
  • Entre la rotule 24 et l'assiette 26 est aménagé un espace 38 qui est étanchéifié sur sa périphérie par un joint mou 40 fixé au blindage 18 et par un joint mou 42 qui adhère sur le bord extérieur de l'assiette 26. Le joint mou 40 est attaché dans un logement 39 délimité par deux anneaux soudés à l'intérieur du blindage 18.
  • La Figure 2 montre un autre mode de réalisation préféré d'une articulation d'un porte-vent. Entre la gaine en acier réfractaire 30 et la brique réfractaire 28 profilée, un tapis isolant 44 a été introduit qui assure une meilleure isolation thermique de la rotule convexe 24 et du compensateur 16. La surface d'ancrage 129 de la brique réfractaire 28 dans le revêtement interne en béton réfractaire coulé 20 a une forme en "queue d'aronde". Cette forme particulière de la surface d'ancrage 129 permet de maintenir la brique réfractaire 28 en place et l'empêche de se déplacer verticalement et horizontalement.
  • La Figure 3 représente encore un autre mode de réalisation préféré d'une articulation d'un porte-vent dans laquelle aussi bien la rotule convexe 24 que l'assiette creuse 26 sont formées en briques réfractaires profilées 28, 48.
  • Un avantage de ce mode de réalisation est que la formation de microfissures au niveau de l'assiette concave est éliminée.
  • Un joint mou 142, attaché à la brique réfractaire 48 de l'assiette concave 26, et le joint mou 40 assurent l'étanchéité de l'espace aménagé entre la rotule convexe 24 et l'assiette concave 26.
  • La Figure 4 représente une articulation d'un porte-vent dans lequel la rotule convexe 24 et l'assiette concave 26 sont formées en brique réfractaire profilée 28, 148. Un tapis isolant 130 est interposé entre le blindage en acier réfractaire 18 et la brique 148 pour améliorer l'isolation thermique. Une surface d'ancrage 229 en forme de "queue d'aronde" assure le maintien de la brique 148 dans le revêtement en béton réfractaire coulé.
  • Sur les Figures 2, 3 et 4 on voit que la rotule convexe est solidaire de l'élément tubulaire 10.

Claims (9)

  1. Dispositif d'injection d'air préchauffé dans un four à cuve comprenant un premier et un deuxième élément tubulaire (10, 12) muni chacun d'un blindage extérieur (18) en acier réfractaire et d'un revêtement réfractaire intérieur en béton réfractaire coulé (20), les deux éléments tubulaires (10, 12) étant reliés par une articulation sphérique (14) et un compensateur (16), et ladite articulation sphérique (14) comportant une rotule convexe (24) solidaire du premier élément tubulaire et pouvant pivoter dans une assiette concave (26) solidaire du deuxième élément tubulaire, caractérisé en ce qu'au moins la rotule convexe (24) de l'articulation sphérique comprend une brique réfractaire profilée (28) ancrée dans le revêtement réfractaire intérieur (20) en béton réfractaire coulé.
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une gaine en acier réfractaire (30) s'étend jusqu'à la partie convexe de la rotule (24) et se termine par une lèvre saillante (32) qui forme une surface d'appui pour la brique réfractaire profilée (28).
  3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le rayon de courbure de l'articulation sphérique (14) est de l'ordre de grandeur du rayon extérieur des deux éléments tubulaires (10, 12).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'assiette concave (26) de l'articulation (14) comprend une brique réfractaire profilée ancrée dans le revêtement réfractaire intérieur (20).
  5. Dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'un tapis isolant (44) est interposé entre la brique réfractaire (28) et la gaine en acier réfractaire (30).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le béton réfractaire dans lequel la brique profilée (28) est ancrée forme un seul bloc avec le revêtement réfractaire (20) du premier élément tubulaire.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la rotule (24) constitue un élément séparé monté sur l'élément tubulaire (10) et séparé du revêtement réfractaire intérieur de ce dernier par un joint annulaire (36).
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des joints réfractaires (40, 42) sont attachés sur le blindage (18) du deuxième élément tubulaire (12) et sur le bord de l'assiette concave (26).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le joint réfractaire, est attaché partiellement dans un logement (39) intérieur de l'élément tubulaire et partiellement sur le réfractaire.
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