FR2933488A1

FR2933488A1 - Raiser for industrial rotary kiln, has head forming relief relative to interior wall of kiln and with internal cavity filled with thermal insulation material, where transition zone has section variation and placed between base and head

Info

Publication number: FR2933488A1
Application number: FR0854496A
Authority: FR
Inventors: Pierre Arnaud
Original assignee: PA TECHNOLOGIES
Current assignee: PA TECHNOLOGIES
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-08

Abstract

The raiser (1) has a base (4) inserted in an interior wall of an industrial rotary kiln, and a head (6) forming a relief with respect to the interior wall, where the raiser is made of refractory concrete or heat resistant material. The head includes an internal cavity (8) filled with thermal insulation material. A transition zone (7) is placed between the base and the head, and presents a section variation constituted by section reduction to form a shoulder at the level of an interior face of the rotary kiln, where the section reduction is about 10 percent.

Description

L'invention concerne un releveur de four industriel rotatif. Les fours industriels rotatifs présentent usuellement une forme tubulaire avec une entrée pour les matériaux à cuire ou à sécher par une extrémité et une sortie à l'autre extrémité pour les produits secs ou transformés, des gaz chauds circulant à contre-courant à l'intérieur du four, la rotation du tube engendrant un brassage de la matière en présence des gaz. L'agitation des matières dans le four rotatif est fortement améliorée par la présence de releveurs sur les parois du four. Ces releveurs ont pour but d'emporter avec eux au cours de la rotation une partie des matériaux traités dans le four de manière à effectuer le brassage des composants et à homogénéiser la température. Les releveurs sont des parties en relief disposées sur la paroi interne du four sur laquelle ils sont régulièrement répartis, ils peuvent se présenter sous diverses formes et en nombre variable dans les fours rotatifs. The invention relates to a rotating industrial kiln lifter. Rotary industrial furnaces usually have a tubular shape with an inlet for the materials to be cooked or dried at one end and an outlet at the other end for dry or processed products, hot gases circulating countercurrently inside. oven, the rotation of the tube causing a stirring of the material in the presence of gases. Stirring of the materials in the rotary kiln is greatly improved by the presence of lifters on the furnace walls. These lifters are intended to carry with them during the rotation of some of the materials processed in the oven so as to carry out the mixing of the components and to homogenize the temperature. The lifters are parts in relief arranged on the inner wall of the furnace on which they are regularly distributed, they can be in various forms and in variable number in the rotary kilns.

De façon classique les releveurs sont des pièces réfractaires qui permettent une amélioration de l'échange thermique entre la matière et les gaz, ces éléments favorisent l'uniformisation de la matière dans le four et évitent le glissement des produits sur le fond du four, lequel glissement pourrait engendrer des zones localement non traitées de matière. Par ailleurs les releveurs permettent une réduction de la formation de nuage de poussière. Ces différents avantages engendrés par les releveurs conduisent à une amélioration de la productivité du four. Les releveurs sont mis en forme par moulage à partir d'un matériau réfractaire et installés en lieu et place de briques réfractaires qui constituent pour l'essentiel le revêtement intérieur du four selon une disposition propre à chaque catégorie de four. Les releveurs sont généralement constitués de deux parties : - un socle inséré dans la paroi intérieure du four, au milieu des autres briques réfractaires, - une partie en relief, dénommée tête de releveur, exposée aux gaz et chargée de brasser la matière, cette partie en relief se trouve très sollicitée au cours de la rotation du four à la fois par la matière en mouvement et en raison des variations importantes de température subies au cours de la rotation du four. Comparativement aux autres briques réfractaires qui garnissent la paroi intérieure du four les releveurs posent des problèmes spécifiques liés à la résistance aux chocs thermiques, plus particulièrement lors du fonctionnement en production et lors de la phase de refroidissement du four au cours d'une période d'arrêt de maintenance. Lors de la rotation du four, les releveurs sont soumis cycliquement à de fortes variations de température. Dans un four en fonctionnement de production, la température moyenne des gaz est comprise entre 1100 et 1300 °C, alors que celle de la matière est d'environ 700 à 850°C. Dans un fonctionnement normal, le releveur est en contact avec les gaz pendant 3/4 de tour et en contact avec la matière pendant 1/4 de tour. Cette exposition alternée engendre des contraintes thermomécaniques cycliques en compression et en traction dans le matériau constitutif du releveur et provoque la rupture par fatigue de la tête du releveur. Ces contraintes thermomécaniques sont essentiellement localisées au niveau de la tête du releveur. Les variations des températures dans le socle du releveur sont moindres du fait de la présence de briques réfractaires adjacentes ayant une grande inertie thermique. Au cours d'une période d'arrêt pour opération de maintenance, le four est refroidi très rapidement et atteint la température ambiante en quelques heures. Ce refroidissement rapide engendre également de fortes contraintes thermomécaniques dans la tête du releveur. En effet, la tête du releveur refroidit beaucoup plus vite que le socle du releveur du fait de l'inertie thermique des briques réfractaires environnantes. Les gradients thermiques engendrés se signalent par une dilatation différentielle importante entre le socle et la tête du releveur et donc, par la rupture brutale de cette dernière. Cette phase de refroidissement est la plus critique car les matériaux réfractaires sont très sensibles aux chocs thermiques descendants qui sollicitent le matériau en traction. Le fonctionnement des fours rotatifs avec des releveurs est connu depuis longtemps, par exemple les brevets US 1 544 504, US 4 015 929 et US 4 136 965 décrivent différentes formes de releveurs utilisés dans des fours rotatifs. Classically, the lifters are refractory pieces that allow an improvement in the heat exchange between the material and the gases, these elements promote the uniformization of the material in the oven and prevent slippage of the products on the bottom of the oven, which slippage could result in locally untreated areas of matter. In addition, the lifters allow a reduction of dust cloud formation. These different advantages generated by the lifters lead to an improvement in the oven's productivity. The lifters are shaped by molding from a refractory material and installed instead of refractory bricks which essentially form the lining of the oven according to a provision specific to each category of furnace. The lifters generally consist of two parts: - a base inserted in the inner wall of the furnace, in the middle of the other refractory bricks, - a relief part, called the reliever head, exposed to gas and charged with stirring the material, this part in relief is very stressed during the rotation of the oven both by the moving material and because of significant temperature variations experienced during the rotation of the oven. Compared to the other refractory bricks on the inner wall of the furnace the lifters pose specific problems related to thermal shock resistance, especially during production operation and during the cooling phase of the furnace during a period of time. maintenance stop. During the rotation of the oven, the lifters are subjected cyclically to strong temperature variations. In an oven in production operation, the average temperature of the gases is between 1100 and 1300 ° C, while that of the material is about 700 to 850 ° C. In normal operation, the lifter is in contact with the gases for 3/4 turn and in contact with the material for 1/4 turn. This alternating exposure generates thermomechanical cyclic compressive and tensile stresses in the material constituting the lifter and causes fatigue failure of the head of the lifter. These thermomechanical stresses are essentially located at the level of the head of the locator. The variations in temperatures in the base of the lifter are lower because of the presence of adjacent refractory bricks having a high thermal inertia. During a maintenance shutdown period, the oven is cooled very quickly and reaches room temperature within a few hours. This rapid cooling also generates strong thermomechanical stresses in the head of the lifter. In fact, the head of the locator cools much faster than the base of the locator because of the thermal inertia of the surrounding refractory bricks. The thermal gradients generated are indicated by a significant differential expansion between the base and the head of the lifter and therefore by the abrupt rupture of the latter. This cooling phase is the most critical because the refractory materials are very sensitive to downward thermal shocks that stress the material in tension. The operation of rotary kilns with lifters has been known for a long time, for example US Pat. Nos. 1,544,504, 4,015,929 and 4,136,965 describe various forms of lifters used in rotary kilns.

Les releveurs décrits dans ces brevets et ceux connus dans l'art antérieur présentent les inconvénients liés à la résistance aux chocs thermiques décrite précédemment, soit donc une faible durée de vie handicapante pour la marche de l'installation. L'invention a donc pour objectif de résoudre cette principale difficulté en proposant une structure de releveur adaptée aux contraintes thermomécaniques subies par cet élément. La présente invention concerne un releveur de four rotatif en matériau réfractaire comprenant un socle destiné à s'insérer dans la paroi intérieure dudit four et une tête formant un relief par rapport à ladite paroi intérieure, le releveur selon l'invention étant caractérisé par le fait qu'il présente une tête avec une cavité interne. Les avantages du releveur de four rotatif selon l'invention sont essentiellement les suivants : - la variation de section entre la tête du releveur et le socle a une grande influence sur les contraintes thermomécaniques, l'optimisation de cette variation de section permet notamment de limiter le niveau de contrainte dans la tête du releveur et donc les risques de rupture de l'élément, - l'optimisation de la forme de la tête de releveur favorise un meilleur brassage des matières qui améliore l'efficience du four, - la cavité interne localisée dans la tête de releveur améliore fortement la tenue thermomécanique de l'élément, et donc en raison de cette meilleure tenue aux chocs thermiques les releveurs conformés selon l'invention ont une durée de vie très supérieure aux releveurs classiques, ce qui conduit à une augmentation de la productivité du four et une diminution du coût des maintenances, D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la 10 description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue en coupe d'un four rotatif tubulaire comportant des releveurs. La figure 2 est une vue en coupe d'un releveur selon l'art antérieur. 15 La figure 3 illustre un releveur en coupe selon l'invention. Comme le montre la figure 1, les releveurs 1 sont régulièrement répartis dans un four rotatif, lesdits releveurs forment des parties en relief par rapport à la paroi intérieure 2 tapissée des éléments réfractaires, blocs ou briques, formant la face en contact avec les gaz chauds. 20 Lors de la rotation du four les releveurs 1 traversent la matière 3 présente dans le four et l'entraîne dans la rotation, formant ainsi un brassage efficace favorable à l'interaction avec les gaz et à l'homogénéisation des matériaux. La figure 2 représente un releveur selon l'art antérieur connu, classiquement utilisé dans les fours rotatifs, à savoir un élément comportant un socle 4 25 inséré entre des blocs réfractaires adjacents 5 et une tête 6 de forme massive, sensiblement hémisphérique, dans le prolongement du socle, formant relief sur la face intérieure du four. The lifters described in these patents and those known in the prior art have the disadvantages associated with the thermal shock resistance described above, that is to say a low disability lifetime for the running of the installation. The invention therefore aims to solve this main difficulty by providing a lift structure adapted to the thermomechanical stresses experienced by this element. The present invention relates to a rotary kiln lifter made of refractory material comprising a base intended to be inserted into the inner wall of said furnace and a head forming a relief with respect to said inner wall, the lifter according to the invention being characterized by the fact that that it presents a head with an internal cavity. The advantages of the rotary kiln lifter according to the invention are essentially as follows: the variation of section between the head of the lifter and the base has a great influence on the thermomechanical stresses, the optimization of this variation of section makes it possible in particular to limit the level of stress in the head of the lifter and therefore the risk of rupture of the element, - optimizing the shape of the head of the picker promotes a better mixing of materials that improves the efficiency of the oven, - the internal cavity located in the head of the actuator greatly improves the thermomechanical behavior of the element, and therefore because of this better resistance to thermal shock, the lifters according to the invention have a much longer life than conventional lifters, which leads to increase in the productivity of the oven and a reduction in the cost of maintenance. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description with reference to the accompanying drawings which are given by way of non-limiting examples. Figure 1 is a sectional view of a rotary kiln with tubular lifters. Figure 2 is a sectional view of a lifter according to the prior art. Figure 3 illustrates a sectional lifter according to the invention. As shown in Figure 1, the lifters 1 are regularly distributed in a rotary kiln, said lifters form portions in relief with respect to the inner wall 2 lined refractory elements, blocks or bricks, forming the face in contact with the hot gas . During the rotation of the furnace, the lifters 1 pass through the material 3 present in the furnace and drive it into the rotation, thus forming an effective stirring favorable to the interaction with the gases and to the homogenization of the materials. FIG. 2 represents a lift according to the known prior art, conventionally used in rotary kilns, namely an element comprising a base 4 inserted between adjacent refractory blocks 5 and a substantially hemispherical shaped head 6, in the extension base, forming relief on the inside of the oven.

La figure 3 illustre un releveur selon l'invention avec un socle 4 également inséré dans la couche de blocs réfractaires qui tapisse la face intérieure du four et comportant une partie supérieure structurellement très différente. Le releveur illustré sur la figure 3 présente une partie spécifique remarquable située au-dessus du niveau de la face intérieure du four, comprise entre la tête 6 et le socle 4, nommée zone de transition 7, cette zone est représentée entre les traits en pointillés sur la figure 3. Le haut de cette zone de transition constituant la base de la tête 6, le bas de la zone de transition formant le haut du socle 4. Figure 3 illustrates a lift according to the invention with a base 4 also inserted into the refractory block layer which lines the inner face of the furnace and having a structurally very different upper part. The lifter illustrated in FIG. 3 has a remarkable specific portion situated above the level of the inner face of the furnace, between the head 6 and the base 4, called the transition zone 7, this zone is represented between the dashed lines. in FIG. 3. The top of this transition zone constituting the base of the head 6, the bottom of the transition zone forming the top of the base 4.

Tel que cela est illustré sur la figure 3 la géométrie de la tête est particulière et configurée pour l'amélioration des propriétés thermomécaniques du releveur. Selon l'invention le releveur de four est caractérisé par le fait qu'il présente une tête 6 avec une cavité interne 8. As illustrated in FIG. 3, the geometry of the head is particular and configured to improve the thermomechanical properties of the pick-up. According to the invention the oven lifter is characterized in that it has a head 6 with an internal cavity 8.

Selon l'invention le releveur de four comporte une zone de transition 7 entre le socle 4 et la tête 6, laquelle zone de transition présentant une variation de section. Plus précisément la variation de section est une diminution de manière à former un épaulement au niveau de la face intérieure du four, laquelle face intérieure est représentée par le haut des briques adjacentes 5 sur les figures 2 et 3. Encore plus précisément la diminution de section dans la zone de transition 7 entre le haut du socle 4 et la base de la tête 6 est d'au moins 5% et de préférence de plus de 10%. According to the invention the oven lifter has a transition zone 7 between the base 4 and the head 6, which transition zone has a section variation. More specifically, the variation of section is a decrease so as to form a shoulder at the inner face of the furnace, which inner face is represented by the top of the adjacent bricks 5 in FIGS. 2 and 3. Even more specifically the reduction of section in the transition zone 7 between the top of the base 4 and the base of the head 6 is at least 5% and preferably more than 10%.

L'épaulement formé permet une meilleure résistance mécanique de la tête du releveur, et en association avec la cavité interne 8, une meilleure répartition des contraintes lors des chocs thermiques en exploitation et en maintenance. The shoulder formed allows a better mechanical strength of the head of the lifter, and in combination with the internal cavity 8, a better stress distribution during thermal shocks in operation and maintenance.

Avantageusement selon l'invention la tête 6 comporte une section de forme globalement triangulaire ou trapézoïdale. La figure 3 illustre un mode préféré de l'invention dans lequel la tête de releveur comporte une section de forme globalement triangulaire présentant une face légèrement convexe 9 et une face plane 10. De manière à répartir au mieux les contraintes thermomécaniques s'appliquant sur la tête il a été trouvé avantageux de localiser la cavité interne 8 sensiblement au centre de la tête du releveur et dans sa base. Tel que cela est représenté sur la figure 3 la cavité interne 8 comporte une 10 section de forme ovoïde avec une partie basse localisée dans le haut du socle et dans la zone de transition 7. Avantageusement la cavité interne 8 a une forme proche de celle de la tête 6 du releveur de four. La cavité interne, complètement entourée par le matériau réfractaire, est de 15 préférence remplie d'air, toutefois, sans sortir du cadre de l'invention il est envisagé de remplir la cavité avec un matériau isolant thermique. Le socle 4 du releveur peut être prévu de structure identique à celle des blocs adjacents, tel que cela est représenté sur la figure 3, toutefois il peut aussi être envisagé sans sortir du cadre de l'invention de munir le socle avec des 20 éléments de renforcement ou de fixation, notamment par exemple des barres métalliques. Selon l'invention le releveur de four rotatif est avantageusement obtenu par moulage d'un béton réfractaire ou tout autre matériau résistant à la chaleur et disposant d'un faible module de rigidité, un faible coefficient de dilatation 25 thermique, une conductivité thermique et une contrainte à la rupture élevées. Advantageously according to the invention the head 6 has a section of generally triangular or trapezoidal shape. FIG. 3 illustrates a preferred embodiment of the invention in which the take-up head comprises a section of generally triangular shape having a slightly convex face 9 and a flat face 10. In order to best distribute the thermomechanical stresses applying to the head it has been found advantageous to locate the internal cavity 8 substantially in the center of the head of the levator and in its base. As shown in FIG. 3, the internal cavity 8 has an ovoid-shaped section with a bottom portion located in the top of the base and in the transition zone 7. Advantageously, the internal cavity 8 has a shape close to that of the head 6 of the oven lifter. The inner cavity, completely surrounded by the refractory material, is preferably filled with air, however, without departing from the scope of the invention it is contemplated to fill the cavity with a thermal insulating material. The pedestal 4 of the locator may be of identical structure to that of the adjacent blocks, as shown in FIG. 3, but it may also be envisaged without departing from the scope of the invention to provide the pedestal with 20 elements. strengthening or fixing, including for example metal bars. According to the invention, the rotary kiln lifter is advantageously obtained by molding a refractory concrete or any other heat-resistant material having a low modulus of rigidity, a low thermal expansion coefficient, a thermal conductivity and a high tensile strength.

Un exemple avantageux de matériau utilisable pour réaliser un releveur de four selon l'invention est un béton réfractaire moulé mis en forme par coulage et vibration et ayant les caractéristiques suivantes après cuisson : - densité = 2,55 - Module de rupture 6R = 18 MPa à 1000 °C - Module de rigidité E = 85000 MPa - Coefficient de Poisson v = 0,2 - Conductivité thermique À = 3 W/m.K - Dilatation thermique a = 5.10-6 /°C - Capacité calorifique Cp = 1200 J/kg.°C Plusieurs variantes de releveur sont envisageables, la section est prévue globalement triangulaire ou trapézoïdale, ces géométries étant plus favorables, cependant il peut être imaginé une section carrée, rectangulaire polygonale ou irrégulière, sans sortir du cadre de l'invention.An advantageous example of a material that can be used to make a furnace lifter according to the invention is a molded refractory concrete shaped by casting and vibration and having the following characteristics after firing: - density = 2.55 - modulus of rupture 6R = 18 MPa at 1000 ° C - modulus of rigidity E = 85000 MPa - Poisson's ratio v = 0.2 - Thermal conductivity at = 3 W / mK - Thermal expansion a = 5.10-6 / ° C - Heat capacity Cp = 1200 J / kg ° C Several variants of levator are possible, the section is provided generally triangular or trapezoidal, these geometries being more favorable, however it can be imagined a square section, rectangular polygonal or irregular, without departing from the scope of the invention.

15 La cavité interne de la tête de releveur peut être plus ou moins grande et de géométrie variable en fonction de paramètres thermomécaniques spécifiques à chaque four sans sortir du cadre de l'invention. Différentes sortes de bétons réfractaires et de matériaux résistant à la chaleur peuvent être employés pour former le releveur de four rotatif, les avantages 20 obtenus pour une bonne résistance aux chocs thermiques n'étant pas exclusivement liés au matériau lui-même mais étant aussi en relation avec la géométrie du releveur, les bénéfices de la structure proposée pouvant ainsi être transposés à différents matériaux sans sortir du cadre de l'invention. Le releveur peut être maintenu par différents moyens avec le support de la 25 face intérieure du four, il peut aussi être envisagé de fixer le releveur avec des blocs adjacents, par ailleurs des structures de supports démontables déjà 10 décrites dans l'art antérieur et qui permettent le remplacement aisé des releveurs peuvent bien évidemment être employées sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et 5 représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. The internal cavity of the take-up head may be larger or smaller and of variable geometry depending on thermomechanical parameters specific to each furnace without departing from the scope of the invention. Different kinds of refractory concretes and heat-resistant materials can be used to form the rotary kiln lifter, the advantages obtained for good resistance to thermal shocks not being exclusively related to the material itself but also being related. with the geometry of the lifter, the benefits of the proposed structure can thus be transposed to different materials without departing from the scope of the invention. The lifter can be maintained by various means with the support of the inner face of the furnace, it can also be envisaged to fix the lifter with adjacent blocks, moreover removable support structures already described in the prior art and which allow easy replacement of the levers can obviously be used without departing from the scope of the invention. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown by way of example, but it also includes all technical equivalents as well as their combinations.

Claims

CLAIMS1- Rotary kiln lifter in refractory concrete or any other heat-resistant material comprising a base (4) intended to be inserted into the inner wall of said furnace and a head (6) forming a relief with respect to said inner wall, characterized in that it has a head (6) with an internal cavity (8).

2- rotary kiln lifter according to claim 1 having a transition zone (7) between the base (4) and the head (6), which transition zone (7) having a section variation.

The rotary kiln lifter according to claim 2 wherein the section variation is a decrease so as to form a shoulder at the inner face of the furnace.

4- rotary kiln lifter according to claim 3 wherein the section decrease in the transition zone (7) between the top of the base (4) and the base of the head (6) is at least 5% and preference of more than 10%.

5- rotary kiln lifter according to claims 1 or 2 wherein the head (6) has a generally triangular or trapezoidal shaped section.

6- rotary kiln lifter according to claim 5 wherein the head (6) has a generally triangular shaped section having a slightly convex face (9) and a flat face (10).

7. Rotary kiln lifter according to claim 1 wherein the inner cavity (8) is located substantially in the center of the head (6) of the levator and 25 in its base.

8- rotary kiln lifter according to claim 7 wherein the inner cavity (8) of the head (6) levator is filled with a thermal insulating material.

9- rotary kiln lifter according to any one of the preceding claims wherein the base (4) is provided with fixing or reinforcing elements.

10- rotary kiln lifter according to any one of the preceding claims obtained by molding a refractory concrete.