EP0760456B1

EP0760456B1 - Rotary drum melting furnace

Info

Publication number: EP0760456B1
Application number: EP96401717A
Authority: EP
Inventors: Claude Jegou; Fayez Kassabji; Charley Renaux
Original assignee: Electricite de France SA; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Electricite de France SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 2000-06-28
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: US5711664A; JPH09119778A; FR2737554A1; KR970011766A; KR100436176B1; DE69609022D1; FR2737554B1; DE69609022T2; EP0760456A1; CA2181533A1

Description

L'invention concerne un four de fusion tournant suivant le préambule de la revendication 1, qui est basé sur US-A-3 510 115.The invention relates to a melting furnace. turning according to the preamble of claim 1, which is based on US-A-3,510,115.

La fusion de produits réfractaires, tels que la zircone et la magnésie qui fondent à 2700°C et 2800°C respectivement, impose l'emploi de fours spéciaux tels que les fours tournants à arc électrique. Ces fours comprennent une enceinte cylindrique dont l'axe est occupé par des électrodes entre lesquelles l'arc est dardé, et cette enceinte est mise en rotation pour que la matière à fondre se rassemble sur la paroi de l'enceinte et la protège des échauffements excessifs, formant ce qu'on appelle un auto-creuset, car elle ne fond que pour la couche superficielle donnant sur le centre du four et reste à de plus basses températures vers les couches extérieures adjacentes à l'enceinte.The merger of refractory products, such as zirconia and magnesia which melt at 2700 ° C and 2800 ° C respectively, requires the use of ovens specials such as rotary arc furnaces. These ovens include a cylindrical enclosure of which the axis is occupied by electrodes between which the arc is darted, and this enclosure is rotated so that the material to be melted collects on the wall of the enclosure and protects it from overheating excessive, forming what is called a self-crucible, because it only melts for the surface layer overlooking the center of the oven and stays at lower temperatures to the outer layers adjacent to the enclosure.

Malgré cette protection offerte par une partie de la matière à fondre, l'enceinte doit être refroidie.Despite this protection offered by a part of the material to be melted, the enclosure must be cooled.

Elle est formée de trois parties dans un four connu : deux flasques d'extrémité en forme de disque et une virole cylindrique qui les unit. Les flasques sont fixes et seule la virole tourne, ce qui impose de rétablir la continuité de l'enceinte par des joints intercalaires. Les flasques sont boulonnés à une virole extérieure fixe qui entoure la virole tournante et la soutient par l'intermédiaire de roulements. L'intervalle entre les viroles forme une chambre affectée au refroidissement de la virole intérieure. On utilise pour cela un circuit d'aspersion à conduit d'alimentation débouchant au sommet de la chambre, où il se termine par des buses d'aspersion, et un conduit de collecte débouchant au bas de la chambre.It is made up of three parts in one known oven: two end flanges in the form of disc and a cylindrical ferrule which unites them. The flanges are fixed and only the ferrule turns, which imposes to restore the continuity of the enclosure by interlayer seals. The flanges are bolted to a fixed outer shell which surrounds the rotating shell and supports it through bearings. The interval between the ferrules forms a chamber assigned to the cooling of the inner shell. We uses a pipe sprinkler system for this outlet leading to the top of the chamber, where it ends with spray nozzles, and a conduit collection opening at the bottom of the room.

La chambre doit donc être isolée à ses bords longitudinaux par des joints d'étanchéité pour éviter les fuites et protéger les roulements.The room must therefore be isolated from longitudinal edges by seals for avoid leaks and protect the bearings.

Comme les flasques doivent aussi être refroidis et que des précautions doivent être prises pour éviter les transferts d'arc le long de l'enceinte il faut ajouter deux circuits de refroidissement et de multiples joints d'étanchéité et d'isolation électrique entre la virole intérieure et les flasques d'une part, et la virole extérieure et d'autres parties fixes de l'installation d'autre part. L'agencement du four devient alors très compliqué.As the flanges must also be cooled and precautions must be taken to avoid arc transfers along the enclosure two cooling circuits must be added and multiple seals and electrical insulation between the inner shell and the flanges on the one hand, and the outer shell and other fixed parts of the installation on the other hand. Furnace layout then becomes very complicated.

L'objet de l'invention est de simplifier les fours de fusion tournants, notamment en ce qui concerne les dispositifs liés à leur support à un bâti fixe, leur refroidissement et l'agencement de joints d'isolation électrique qui les séparent en plusieurs parties.The object of the invention is to simplify rotating melting furnaces, in particular with regard to concerns devices linked to their support to a frame fixed, their cooling and the arrangement of seals of electrical insulation which separate them into several parts.

Les inventeurs ont constaté que ces objets pouvaient être atteints en rendant la virole solidaire des flasques et en prévoyant un circuit de refroidissement unique pour les flasques et la virole, malgré les difficultés pour assurer un écoulement correct le long de cette enceinte de grande surface et de forme complexe qui impose des pertes de charges importantes.The inventors have found that these objects could be achieved by making the shell integral flanges and by providing a circuit unique cooling for flanges and ferrule, despite the difficulties in ensuring a flow okay along this large area enclosure and of complex shape which imposes pressure losses important.

Dans sa nouvelle conception, le four peut être soutenu à partir essentiellement du flasque par lequel pénètre l'arc, par un arbre creux livrant passage à une des électrodes, et le circuit de refroidissement peut se terminer au niveau de cet arbre : les dispositifs d'alimentation en liquide de refroidissement et d'étanchéité sont reportés à cet endroit hors de l'enceinte et le four est alors très simplifié.In its new design, the oven can be supported essentially from the flange by which enters the arc, by a hollow shaft delivering passage to one of the electrodes, and the circuit cooling can end at this tree: the liquid supply devices of cooling and sealing are carried over to this place outside the enclosure and the oven is then very simplified.

La circulation du liquide de refroidissement peut être facilitée en donnant au circuit une forme ou une orientation permettant, à la rotation du four, de propulser le liquide dans le sens de l'écoulement par les forces d'inertie. On peut ainsi promouvoir un écoulement spiral dans les flasques et un écoulement hélicoïdal le long de la virole.The circulation of the liquid cooling can be facilitated by giving the circuit a shape or orientation allowing, at the rotation of the furnace, to propel the liquid in the direction of flow by inertial forces. We can thus promote a spiral flow in the flanges and a helical flow along the shell.

Le circuit de refroidissement est avantageusement creusé dans les flasques et la virole et prend la forme d'un circuit à contre-courant, où le liquide circule dans le four en formant deux nappes ou deux couches superposées. En pratique, les flasques et la virole sont généralement produits séparément et assemblés, et il serait difficile de raccorder les portions du circuit de refroidissement de ces pièces sans ajouter des joints d'étanchéité qui seraient soumis à une température élevée et compliqueraient de nouveau l'agencement. C'est pourquoi il est probablement meilleur que les portions de circuit de refroidissement débouchent sur la face externe de l'enceinte, sans se raccorder entre elles, et soient réunies par des tuyaux contournant les raccordements de la virole aux flasques.The cooling circuit is advantageously dug in the flanges and the ferrule and takes the form of a counter-current circuit, where the liquid circulates in the oven forming two layers or two overlapping layers. In practice, the flanges and the ferrule are generally produced separately and assembled, and it would be difficult to connect the portions of the cooling system of these parts without adding gaskets which would subjected to high temperature and would complicate new layout. That's why it is probably better than the circuit portions of cooling lead to the external face of the enclosure, without connecting to each other, and are joined by pipes bypassing the connections of the ferrule with the flanges.

Ces caractéristiques de l'invention ainsi que d'autres seront décrites plus en détail à l'aide des figures suivantes, qui sont annexées à titre illustratif et non limitatif :

la figure 1 est une vue d'une réalisation de l'invention,
la figure 2 est une vue d'une autre réalisation,
la figure 3 est un détail de la figure 1 pris selon la coupe III-III,
et la figure 4 est un détail de la figure 1 pris selon la coupe IV-IV.

These characteristics of the invention as well as others will be described in more detail with the aid of the following figures, which are annexed by way of illustration and not limitation:

FIG. 1 is a view of an embodiment of the invention,
FIG. 2 is a view of another embodiment,
FIG. 3 is a detail of FIG. 1 taken along section III-III,
and Figure 4 is a detail of Figure 1 taken along section IV-IV.

On aborde le commentaire de la figure 1. L'essentiel de la structure du four est formé par une enceinte 1 composée d'une virole cylindrique 2 unie à un flasque de support 3 et à un flasque de coulée 4, tous deux en forme de disque. Le flasque de support 3 est prolongé par un arbre 5 creux, coaxial à la virole 2 et qu'occupe une électrode 6 qui s'étend sur une grande partie de la longueur de l'enceinte 1, selon son axe, et darde l'arc électrique agent de la fusion vers une autre électrode 46, qui traverse le flasque de coulée 4 à l'emplacement d'un trou de coulée 56 central. L'arc est rayonné vers la matière à fondre, qui couvre la face interne de la virole 2 en fonctionnement, quand l'enceinte 1 tourne. La seconde électrode 6 est retirée avant de déverser la matière fondue hors de l'enceinte 1.We discuss the commentary on figure 1. Most of the structure of the oven is formed by a enclosure 1 composed of a cylindrical shell 2 united to a support flange 3 and a casting flange 4, both disc-shaped. The support flange 3 is extended by a hollow shaft 5, coaxial with the ferrule 2 and occupied by an electrode 6 which extends over a much of the length of enclosure 1, depending on its axis, and darts the fusing agent electric arc toward another electrode 46, which passes through the flange of pour 4 at the location of a tap hole 56 central. The arc is radiated towards the material to be melted, which covers the internal face of the shell 2 in operation, when enclosure 1 is rotating. The second electrode 6 is removed before pouring the material fondue outside the enclosure 1.

L'arbre 5 est soutenu par un bâti 7 par l'intermédiaire d'un roulement 8. Il est entouré par une boíte 9 de distribution et de collecte de liquide de refroidissement, en forme de bague, traversée à son sommet par un conduit d'alimentation 10 et par un conduit de collecte 11. La boíte 9 est soutenue à ses extrémités axiales par une paire de roulements 12 et 13 qui l'unissent à l'arbre creux 5. Deux paires de joints 14, 15 et 16, 17 s'étendant tous entre l'arbre 5 et le boítier 9 -et encadrés par les roulements 12 et 13- ont pour fonction d'isoler les conduits d'alimentation 10 et de collecte 11 l'un de l'autre et des roulements 12 et 13.The shaft 5 is supported by a frame 7 by via a bearing 8. It is surrounded by a box 9 for distribution and collection of liquid cooling, ring-shaped, crossed at its top by a supply duct 10 and by a collection conduit 11. The box 9 is supported at its axial ends by a pair of bearings 12 and 13 which join it to the hollow shaft 5. Two pairs of seals 14, 15 and 16, 17 all extending between the shaft 5 and the box 9 -and framed by bearings 12 and 13- have to isolate the supply lines 10 and collecting 11 from each other and bearings 12 and 13.

L'enceinte 1 est formée de trois couches pleines séparées par des canaux superposés formant le circuit de refroidissement. On verra que ces canaux forment en réalité un canal unique dans la totalité de l'enceinte 1. Le flasque de support 3 est ainsi creusé d'un canal d'alimentation 18 et d'un canal de collecte 19 conjoints, plans et circulaires, et qui se prolongent par des portions annulaires et concentriques dans l'arbre 5. Cependant, alors que le canal de collecte 19 est parfaitement dégagé, le canal d'alimentation 18 est en partie occupé, dans le flasque 3, par une spirale 20 (bien visible à la figure 4) qui le transforme en canal spiral dans lequel un écoulement centrifuge du liquide de refroidissement est assuré grâce au sens de rotation de l'enceinte 1. Les canaux d'alimentation 18 et de collecte 19 se terminent dans l'arbre creux par des gorges ou des rigoles circulaires 58 et 59 adjacentes dans lesquelles les conduits d'alimentation 10 et de collecte 11 débouchent respectivement : quelle que soit la position de l'enceinte 1, la circulation d'eau de refroidissement est donc ininterrompue pendant la rotation. Cette construction apparaít pleinement à la figure 3.Enclosure 1 is made up of three layers full separated by superimposed channels forming the cooling system. We will see that these channels actually form a single channel in all of the enclosure 1. The support flange 3 is thus hollowed out a supply channel 18 and a collection channel 19 spouses, plans and circulars, and who extend by annular and concentric portions in tree 5. However, while the collection 19 is perfectly clear, the canal supply 18 is partly occupied, in the flange 3, by a spiral 20 (clearly visible in FIG. 4) which transforms it into a spiral channel in which a flow centrifugal coolant is ensured thanks to the direction of rotation of the enclosure 1. The channels supply 18 and collection 19 end in the hollow shaft by grooves or circular channels 58 and 59 adjacent in which the conduits supply 10 and collection 11 open respectively: whatever the position of enclosure 1, cooling water circulation is therefore uninterrupted during the rotation. This construction appears fully in Figure 3.

La virole 2 est elle-même creusée d'un canal 21 d'alimentation et d'un canal de retour 22 concentriques et annulaires ; le canal de retour 22 est entièrement dégagé mais le canal d'alimentation 21 est occupé par une hélice 43 qui le transforme en canal hélicoïdal dans lequel le liquide de refroidissement se voit imposer un écoulement dirigé vers le flasque de coulée 4 quand l'enceinte 1 tourne.The ferrule 2 is itself hollowed out with a feed channel 21 and return channel 22 concentric and annular; return channel 22 is fully cleared but the supply channel 21 is occupied by a propeller 43 which transforms it into a channel helical in which the coolant gets sees imposed a flow directed towards the flange of flow 4 when the enclosure 1 rotates.

Les canaux d'alimentation 21 et de retour 22 ne s'étendent pas jusqu'au bout de la virole 2 mais se terminent par des orifices, 23 et 24 respectivement, du côté du flasque du support 3, et 25 et 26 respectivement du côté du flasque de coulée 4. Tous ces orifices 23 à 26 ont une direction radiale et forment donc des coudes avec les canaux 21 et 22. Supply channels 21 and return 22 do not extend to the end of the shell 2 but end with holes, 23 and 24 respectively, on the side of the flange of the support 3, and 25 and 26 respectively on the side of the pouring flange 4. All of these holes 23 to 26 have a radial direction and form so elbows with channels 21 and 22.

Les orifices 23 et 24 débouchent donc sur la face externe de l'enveloppe 1 à côté d'orifices 27 et 28 des canaux d'alimentation 18 et de collecte 19 du flasque de support 3. On dispose alors des tuyaux en arceau 29 et 30 pour relier respectivement les orifices 23 et 27 et les orifices 24 et 28. Grâce à cette disposition, la virole 2 peut être assemblée au flasque de support 3 par des boulons 31, sans précautions particulières et notamment sans qu'il soit besoin de prévoir des systèmes d'étanchéité compliqués.The orifices 23 and 24 therefore open onto the outer face of the casing 1 next to orifices 27 and 28 of the supply 18 and collection 19 channels of the support flange 3. We then have pipes in arch 29 and 30 to connect the orifices respectively 23 and 27 and the openings 24 and 28. Thanks to this arrangement, ferrule 2 can be assembled to the flange support 3 by bolts 31, without precautions particular and in particular without the need to provide complicated sealing systems.

Le flasque de coulée 4 est lui-même muni d'un canal d'alimentation 32 et d'un canal de retour 33 munis d'orifices 34 et 35 respectifs débouchant à sa périphérie et à côté des orifices 25 et 26. Il suffit alors d'ajouter d'autres tuyaux en arceau 36 et 37, respectivement entre les orifices 25 et 34 et entre les orifices 26 et 35, pour que le circuit de refroidissement soit parfaitement unifié entre les conduits d'alimentation 10 et de collecte 11, les canaux d'alimentation et de retour 32 et 33 se raccordant en une jonction 45 autour du trou de coulée 56.The casting flange 4 is itself provided a supply channel 32 and a return channel 33 provided with respective holes 34 and 35 opening at its periphery and next to orifices 25 and 26. It suffices then add other hoses 36 and 37, respectively between the openings 25 and 34 and between the holes 26 and 35, so that the cooling is perfectly unified between supply and collection ducts 11, the supply and return channels 32 and 33 connecting at a junction 45 around the tap hole 56.

De façon analogue aux autres portions de l'enceinte 1, le canal de retour 33, par ailleurs plan et circulaire, est parfaitement dégagé, alors que le canal d'alimentation 32, lui aussi plan, circulaire et parallèle au précédent, est occupé par une spirale 44 qui impose un mouvement centripète au liquide de refroidissement quand l'enceinte 1 tourne : son orientation est donc opposée à celle de la spirale 20 du flasque de support 3.Similarly to the other portions of enclosure 1, return channel 33, otherwise planar and circular, is perfectly clear, while the supply channel 32, also planar, circular and parallel to the previous one, is occupied by a spiral 44 which imposes a centripetal movement on the liquid of cooling when speaker 1 is running: sound orientation is therefore opposite to that of spiral 20 the support flange 3.

Une bride 57 est liée à la virole 2, près du flasque de coulée 4, par des boulons 47 ; elle porte une couronne dentée 38 qui engrène avec un pignon 39 d'un moteur 40 fixé au bâti 7. Par ailleurs, un roulement 41 est disposé entre la bride 57 et le bâti 7. Les roulements 8 et 41 soutiennent ainsi parfaitement l'ensemble constitué par l'enceinte 1 et l'arbre creux 5 qui le prolonge, par ses deux extrémités. Le moteur 40 entraíne l'enceinte 1 en rotation par l'intermédiaire de la couronne dentée 38 et de la bride 57.A flange 57 is linked to the shell 2, near of the casting flange 4, by bolts 47; she wears a ring gear 38 which meshes with a pinion 39 a motor 40 fixed to the frame 7. Furthermore, a bearing 41 is disposed between the flange 57 and the frame 7. Bearings 8 and 41 thus support perfectly the assembly constituted by enclosure 1 and the hollow shaft 5 which extends it, by its two extremities. The motor 40 drives the enclosure 1 in rotation via the ring gear 38 and flange 57.

Les boulons 47 servent aussi à assembler le flasque de coulée 4 à la virole 2 ; il s'agit de boulons isolants, car on désire établir une barrière aux écoulements d'électricité et aux amorces d'arc entre ces deux pièces. On intercale pour cela une garniture circulaire isolante 48, que les boulons 47 compriment, entre les faces en vis-à-vis de la virole 2 et du flasque de coulée 4 ; les tubes en arceau 36 et 37 sont aussi isolants, de même que l'eau de refroidissement à un degré suffisant, car elle est déminéralisée. Il a été constaté qu'aucun autre joint isolant n'était nécessaire en pratique, ce qui diffère grandement du four connu, même s'il faut ici aussi prévoir des manchons isolants 49 et 50 dans l'arbre creux 5 et le trou de coulée 56 pour isoler ces pièces des électrodes 6 et 46, et des disques isolants 51 et 52 couvrant les faces internes des flasques 3 et 4 afin qu'ils ne fixent pas l'arc.Bolts 47 are also used to assemble the pouring flange 4 to the shell 2; it is insulating bolts, because we want to establish a barrier to electricity flows and arc strikes between these two rooms. For this we insert a insulating circular packing 48, that the bolts 47 compress, between the faces opposite the shell 2 and of the casting flange 4; the hoop tubes 36 and 37 are also insulating, as is water sufficient cooling because it is demineralized. It was found that no other joint insulation was not necessary in practice, which differs greatly from the known oven, even if here too provide insulating sleeves 49 and 50 in the shaft hollow 5 and the tap hole 56 to isolate these parts electrodes 6 and 46, and insulating discs 51 and 52 covering the internal faces of the flanges 3 and 4 so that they don't fix the bow.

La figure 2 illustre un agencement un peu différent. Les électrodes 6 et 46 et les disques isolants 51 et 52 ont été omis de la représentation pour l'alléger.Figure 2 illustrates a somewhat different. The electrodes 6 and 46 and the discs insulators 51 and 52 have been omitted from the representation to lighten it.

Le moteur 40 est déplacé et prend la référence 40' ; il est situé près de l'arbre creux 5 et son pignon 39' engrène avec une couronne dentée 38' construite à la périphérie du flasque de support 3. De plus, ce dernier est d'une pièce avec la virole 2, et leurs canaux d'alimentation 18 et 21, de même que leurs canaux de collecte 19 et de retour 22, communiquent directement, sans orifice ni raccord visible à l'extérieur. Le flasque de coulée 4 reste séparé de la virole 2 par la garniture circulaire isolante 48, et on retrouve donc les tuyaux en arceau 36 et 37 pour relier leurs canaux.The motor 40 is moved and takes the reference 40 '; it is located near the hollow shaft 5 and its pinion 39 'meshes with a toothed crown 38' built on the periphery of the support flange 3. De more, the latter is in one piece with the ferrule 2, and their supply channels 18 and 21, as well as their collection channels 19 and return channels 22, communicate directly, without opening or visible connection to outside. The pouring flange 4 remains separate from the shell 2 by the insulating circular lining 48, and so find the arched pipes 36 and 37 to connect their channels.

Le roulement 41 a disparu et est remplacé par une série de galets 62 montés sur une couronne 63 qui s'élève du bâti 7 et entoure la virole 2 près du flasque de coulée 4, vers l'emplacement où existait la bride 57, elle aussi disparue. Une collerette 64 d'appui des galets 62 peut cependant être ajoutée sur la virole 2.Bearing 41 has disappeared and is replaced by a series of rollers 62 mounted on a crown 63 which rises from frame 7 and surrounds the ferrule 2 near the pouring flange 4, towards the location where the flange 57, also missing. A collar 64 support of the rollers 62 can however be added to the ferrule 2.

La boíte 9 porte désormais l'arbre creux 5 et l'enceinte 1. Elle est alors vissée au bâti 7. Les roulements 12 et 13 doivent maintenant soutenir un poids plus important et sont avantageusement remplacés par des roulements plus résistants tels que des roulements à rouleaux 12' et 13'.The box 9 now carries the hollow shaft 5 and the enclosure 1. It is then screwed to the frame 7. The bearings 12 and 13 should now support a heavier weight and are advantageously replaced by stronger bearings such as 12 'and 13' roller bearings.

On n'a évoqué qu'un chauffage électrique par des électrodes coaxiales 6 et 46. D'autres modes de chauffage sont compatibles avec l'invention : des torches à gaz ou à plasma, des éléments chauffants par effet Joule, des inducteurs ou des guides d'ondes. L'arbre creux 5 peut être remplacé par un arbre plein dans certaines de ces solutions, le dispositif chauffant étant introduit par le trou de coulée 56.We only mentioned electric heating by coaxial electrodes 6 and 46. Other modes of are compatible with the invention: gas or plasma torches, heating elements by Joule effect, inductors or waveguides. The hollow shaft 5 can be replaced by a solid shaft in some of these solutions, the device heater being introduced through tap hole 56.

Le bâti 7 est construit pour basculer à la coulée et abaisser le trou de coulée 56.The frame 7 is constructed to tilt to the tap and lower the tap hole 56.

Claims

Rotary melting furnace comprising an enclosure (1) formed by a cylindrical shell (2) between two flanges (3, 4) and a cooling circuit for the enclosure, characterized in that the shell is connected to the flanges and that there is a single cooling circuit (18, 19, 21, 22, 32, 33, 29, 30, 36, 37) and has a part in the shell connected to a part in each of the flanges.
Melting furnace according to claim 1, characterized in that the cooling circuit is essentially hollowed from the enclosure.
Melting furnace according to claim 2, characterized in that each of the parts of the cooling circuit comprises two layers, where a countercurrent flow occurs.
Melting furnace according to claim 1, characterized in that the cooling circuit is intended to bring about a cooling fluid flow when the furnace rotates.
Melting furnace according to claim 4, characterized in that the part of the cooling circuit in the shell is at least partly in the form of a helical channel (21).
Melting furnace according to claim 4, characterized in that the parts of the cooling circuit in the flanges are at least partly in the form of a spiral channel (18, 32).
Melting furnace according to claim 1, characterized in that the parts of the cooling circuit are joined by pipes (29, 30, 36, 37) passing round the perimeters for joining the shell to the flanges.
Melting furnace according to claim 1, characterized in that it comprises a shaft (5) for rotating and supporting the furnace fixed to one of the flanges (3).
Melting furnace according to claim 8, characterized in that the rotation shaft is supported by bearings (8, 12', 13').
Melting furnace according to claim 8, characterized in that the cooling circuit extends in the shaft (5), where it terminates in at least one circular groove (58, 59) on which opens a respective, fixed duct (10, 11) perpendicular to the shaft.