LU83985A1

LU83985A1 - Plaque de refroidissement

Info

Publication number: LU83985A1
Application number: LU83985A
Authority: LU
Inventors: H Arata; K Kimura; H Saito; K Fujisawa; F Yamamoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1982-03-05
Publication date: 1982-07-08
Also published as: CA1171651A; EP0059960A1; EP0059960B1; AU548885B2; JPS57146463A; KR890004532B1; DE3262368D1; US4620507A; AU8108082A; BR8201170A; JPH0127821B2; KR830009231A; MX157808A

Description

Demande de brevet &L S27y/EM/BM

de .........$ maçps 1Q82...........

Désignation de l’Inventeur (1) Le soussigné.................ME.ÏERS, Ernest* Ing. conseil en yvapv.ind.* ..........................................................46....vue...âu Cimetière, lvxew>owpg....................................................

agissant en qualité — de mandataire du déposant —

(2) ................................................ÏÏIPPQMÆEEk.coRPOMTIM

2-6-2, Ote-maohi, ...........................................................................................................................

(3) de l’invention concernant : "Plaque de vefvotâLssement” désigné comme ïnventeur(s) : 4, /fl/ Nom et prénoms ..........Kazu.o....FlMISAWA......................................................................................................................

Adresse S-123...Yengin-maGh£,...Iahai.ah£g.ash£-ku,.Æ£iakyushursM.>..FukuokarkenJ,,, Japon 5. /fl/Nom et prénoms ..........Fimihir.o....YAMAMOTQ.............................................................................................................

Adresse 2TÂ-l3...Ieh£eÆ,..JÆata-ku,..Mtokuushur£M,.Ækuoka-kmJ.. Japon.................

3. Nom et prénoms .......................................................................................................................................................................

Adresse ...........................................................................................................................................................................................

Il affirme la sincérité des indications susmentionnées et déclare en assumer l’entière responsabilité.

..........Luxembourg.............................. le ........5 mars 1982.................... 19............

Ύ.......................................................

(signature) MÈIERS Ernest A 680 26____ (1) Nom, prénoms, firme, adresse.

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j BL-32 79/EM/BM

Revendication de la priorité d'une demande 1% de brevet déposée au Japon le 6 mars 1981 sous le No 56-31286 47

BREVET D'INVENTION

PLAQUE DE REFROIDISSEMENT

NIPPON STEEL CORPORATION 2-6-3, Ote-machi Chiyoda-ku, Tokyo JAPON

ï ',1? t

La présente invention concerne des plaques de refroidissement utilisées pour refroidir, par exemple, des parois de creusets de hauts fourneaux, etc.

D'une façon générale, on sait que la durée de service d'un 5 haut fourneau comportant des plaques de refroidissement dépend de la durabilité desdites plaques.

Cependant, jusqu'à maintenant, les plaques de refroidissement sont formées de fonte fragile de bas point de fusion, et elles sont par conséquent assez sujettes à des dommages impor- * 10 tants sous l'effet d'une fusion, d'une fissuration thermique, d'une usure à haute température et d'influences semblables. L'usure de plaques de refroidissement est provoquée par un phénomène particulier consistant en ce que des paillettes de graphite se trouvant dans la fonte de la plaque sont attaquées 15 par C02, S02, K20, etc., contenus dans le gaz de haut fourneau de façon à former une partie défectueuse et fragile de profil plat qui est attaquée à la façon d'une fourmilière dans la.fonte de la plaque, de sorte que celle-ci est aisément endommagée du fait d'une usure ou d'une fissuration produite par les charges 20 du haut fourneau.

En conséquence, pour réduire le taux d'usure des plaques de refroidissement, il est essentiel d'utiliser pour former ces plaques un acier moulé résistant à la chaleur et exempt de graphite.

25 Cependant, il se pose un autre problème consistant en ce

que le point de fusion de l'acier moulé est très différent de celui de la fonte. La fonte peut être aisément coulée à une température relativement basse comprise entre 1300 et 1350°C

* de sorte que la plaque en fonte moulée est essentiellement 30 exempte des difficultés causées par la fusion des tuyaux noyés dans les plaques et que des tuyaux peuvent être coulés commodément et en toute sécurité dans les plaques de refroidissement.

D'autre part, l'acier moulé doit être coulé à environ 1500°C et il nécessite de prévoir des conduits de coulée (masselottes 35 de coulée) pour empêcher un retrait pendant l'opération de coulée. La partie pourvue du conduit de coulée est retardée en solidification, ce qui provoque une fusion des tuyaux de re-; froidissement se trouvant dans cette partie.

A, 2

Pour empêcher le fusion des tuyaux de refroidissement, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur des revêtements déposés sur ces tuyaux. Cela se traduit non seulement par une réduction notable de la capacité de refroidissement des plaques de refroi-5 dissement résultantes, mais on enregistre également une augmentation de la tendance à l'éjection des revêtements sous l'effet des chocs thermiques se produisant au cours de l'opération de coulée et, en outre, la fusion des tuyaux est considérablement favorisée, de sorte qu'on ne peut pas produire des plaques de 10 refroidissement correctes.

Pour ces raisons, on n'a jamais pu réaliser ou utiliser en pratique dans un haut fourneau une plaque de refroidissement formée d'acier moulé.

En conséquence, l'invention a pour but de fournir des 15 plaques de refroidissement qui soit exemptes des inconvénients et difficultés mentionnés ci-dessus.

L'invention a également pour but de fournir un procédé de fabrication desdites plaques de refroidissement.

Conformément à la présente invention, la plaque de refroi-20 dissement est formée d'une composition d'acier spécifique qui est très avantageuse pour empêcher la fusion des tuyaux pendant l'opération de coulée du fait qu'on évite pratiquement la coexistence d'une phase solide et d'une phase liquide (zone solideliquide) et qui permet de réduire le degré d'usure de la plaque; 25 en outre, la surface des tuyaux à noyer dans la plaque est rendue rugueuse au préalable en vue d'augmenter l'adhérence des revêtements sur la surface des tuyaux, les revêtements étant . déposés à des températures relativement élevées pour empêcher que ces revêtements ne soient arrachés des tuyaux sous l'effet - 30 de chocs thermiques se produisant au cours de l'opération de coulée, ce qui permet la production industrielle de plaques de refroidissement formées d'acier moulé résistant à la chaleur ou réfractaire.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 35 seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins | annexés dans lesquels:- î- 3 les Fig. l(a) et l(b) montrent la structure intérieure d'une plaque de refroidissement conforme à la présente invention, dans laquelle un tuyau de refroidissement sans protubérances est noyé dans de l'acier moulé; 5 la Fig. 2(a) montre la structure intérieure d'une variante de plaque de refroidissement conforme à la présente invention, dans laquelle est noyé un tuyau de refroidissement comportant des protubérances; la Fig. 2(b) représente une variante des protubérances; 10 la Fig. 3 est un graphique donnant la distribution de températures dans la plaque de refroidissement conforme à la présente invention, par comparaison à celle existant dans une plaque de refroidissement classique; la Fig. 4 montre l'influence de la teneur en Cr sur la 15 zone solide-liquide.

Dans le cas d'une plaque de refroidissement en acier moulé, la température de solidification de l'acier est élevée et normalement une température aussi élevée que 1550®C est nécessaire pour la coulée, qui s'effectue à environ 300°C de plus que dans 20 le cas d'une plaque en fonte. En conséquence, dans le cas d'une plaque en acier moulé, on constate que, lorsque le volume de la matière à incorporer est égal à 3% ou moins du volume de l'acier moulé, la matière fond. Dans le cas d'un tube d'acier, ce tube est aisément chauffé et il présente une plus forte tendance à la 25 fusion du fait de la faible conductibilité thermique de l'air contenu dans la partie creuse du tuyau. Dans une plaque de refroidissement, du fait que la proportion du volume du tuyau par rapport au volume de la matière de plaque n'est normalement pas supérieure à 3%, il est nécessaire de prendre certaines mesures 30 pour empêcher la fusion.

Les inventeurs ont étudié le processus de la fusion des ! tuyaux lorsqu'ils sont noyés dans les plaques de refroidissement et ils ont constaté les faits suivants.

L'énergie thermique qui intervient dans la fusion est prin-35 cipalement celle obtenue à des températures supérieures au point de terminaison de la solidification de la fonte ou de l'arier, j et 1 ' acier moulé comporte une zone de température dans laquelle | j la phase solide et la phase liquide coexistent du fein de 1= | —1> présence de C, Si, Mn et d'autres éléments d'alliage.

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Dans cette zone de température, la vitesse de solidification est diminuée par l’émission de la chaleur latente de solidification et, pendant cette période, le revêtement placé sur la surface du tuyau est rendu fragile et il se détache, de sorte 5 que le tuyau est fondu par l'inter-diffusion des atomes de fer entre le tuyau et le métal fondu. En conséquence, quand des tuyaux d'acier sont noyés dans de l'acier moulé, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur du revêtement prévu sur les tuyaux, ce qui se traduit par une diminution notable de la Ί0 capacité de refroidissement de la plaque et, par conséquent, par une difficulté d'obtention du résultat désiré. Egalement, lorsque l'épaisseur du revêtement est augmentée, ce revêtement est plus apte à se fissurer sous l'action de chocs thermiques se produisant pendant l'opération de coulée.

15 On a en outre trouvé que le retard de solidification pro voqué par la prévision d'un conduit de coulée favorise la fusion du tuyau.

Pour éliminer les effets perturbateurs décrits ci-dessus, il est nécessaire de diminuer autant qu'il est possible la 20 température de coulée et de réduire la zone liquide-solide au minimum afin de diminuer le taux de diffusion des atomes de fer.

Sous l'aspect des matériaux, on a trouvé que la zone solideliquide varie en fonction de la teneur en Cr et une teneur de 10 à 25% de Cr, qui élimine pratiquement la zone solide-liquide, 25 est utilisée sélectivement dans la présente invention pour résoudre le problème.

On a également trouvé que le chrome peut réduire l'interdiffusion des atomes de fer et agit de manière à conférer une excellente résistance à la chaleur et résistance à l'usure à la v 30 plaque de refroidissement.

Le carbone, d'autre part, augmente relativement la zone solide-liquide lorsque sa teneur croît et, du point de vue de la qualité des matériaux, des teneurs en carbone de 0,7% ou plus provoquent une précipitation de ferrite ou de carbures 35 dans les lisières de grains, et il en résulte une altération de la matière.

„ Lorsque la matière constituant les plaques de refroidisse- .. ! ment doit avoir une bonne résistance a l'usure, une grande

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5 résistance à la chaleur et une bonne résistance â la fissuration ou au criquage de façon à augmenter la durée de service desdites plaques, on doit maintenir la teneur en carbone à une valeur non supérieure à 0,7% du fait de sa tendance à augmenter la zone 5 solide-liquide. En ce qui concerne les autres éléments, il n'existe aucune limitation spécifique et ils peuvent intervenir en quantités normalement existantes dans des aciers ordinaires. Cependant, la teneur en silicium doit de préférence être maintenue à une valeur non-supérieure à 1,0% du fait que cet élément 10 présente une tendance notable à augmenter la largeur de la zone solide-liquide.

En conséquence, l'acier moulé utilisé dans la présente invention peut contenir de 0,05 à 0,7% de C, de 0,1 à 2,0% de Si, de 0,1 à 2,0% de Mn, de 0,005 à 0,08% de P, de 0,05 à 0,080% de S, 15 de 10 à 25% de Cr, et le complément de fer et d'impuretés inévitables .

Il est également assez important d'empêcher un décollage du revêtement se trouvant sur le tuyau sous l'effet de chocs ther- ; miques engendrés pendant l'opération de coulée en augmentant la I 20 force d'adhérence entre la surface de tuyau et le revêtement.

! L'adhérence dépend de l'ondulation de la surface du tuyau, de la température à laquelle le revêtement est déposé, du matériau constituant le revêtement, de la dimension de particules dudit matériau et de l'épaisseur du revêtement déposé sur le tuyau.

25 Comme matériau de revêtement, il est approprié d'utiliser l j de la zircone, de l'alumine et de la chamotte et, du point de ! | vue de la capacité de refroidissement, la zircone est la plus avantageuse.

ï Pour obtenir une meilleur adhérence du revêtement, il est i 30 souhaitable de chauffer au préalable le tuyau à des températures comprises entre 100 et 300°C et de déposer le revêtement par pulvérisation.

Différents procédés sont disponibles pour rendre rugueuse la surface du tuyau et, comme indiqué sur la Fig. 1 (a), lorsque 35 la surface du tuyau est ondulée par des encoches ou bien par sablage ou bien par grenaillage, on peut très bien empêcher un * décollement du revêtement, de sorte que le tuyau peut être I t. | aisément noyé dans la plaque de refroidissement.

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En ce qui concerne 1'épaisseur du revêtement à déposer sur le tuyau, il est avantageux d'adopter une valeur comprise entre 0,3 et 0,7 mm.

Pour augmenter le pouvoir de refroidissement du tuyau en 5 vue d'améliorer la capacité de refroidissement de la plaque formée d'un acier moulé réfractaire, en améliorant ainsi la durée de service de la plaque et en réduisant l'épaisseur nécessaire de cette plaque et le coût de production, on peut disposer de façon continue ou. discontinue des protubérances 10 métalliques telles que des goujons sur la surface extérieure du tuyau de refroidissement, comme indiqué sur la Fig. 2(a), et le tuyau pourvu de telles protubérances est préchauffé et pourvu du revêtement, puis il est noyé dans la plaque.

Lorsque l'acier fondu est coulé autour du tuyau de refroidisse-15 ment revêtu, il se forme un espace entre l'acier coulé et le tuyau après la solidification de l'acier, de sorte que le tuyau de refroidissement se trouve dans une condition non-soudée avec l'acier coulé, alors que les protubérances sont soudées sur l'acier coulé du fait qu'elles ne comportent pas de revêtement. 20 De cette manière, il est possible de réduire l'usure de la plaque de refroidissement, on peut empêcher la perte du tuyau de refroidissement par fusion et il est possible d'améliorer la durabilité de la plaque de refroidissement.

En ce qui concerne le tuyau de refroidissement, on peut 25 utiliser des tubes ordinaires en acier au carbone et il est souhaitable d'employer un tube en acier au carbone destiné à résister à la pression et ayant une composition contenant de 0,08 à 0,15% de C, de 0,18 à 0,24% de Si, de 0,3 à 0,60% de Mn, pas plus de 0,035% de P, et pas plus de 0,35% de S. La compo-30 sition générale des aciers au carbone pour tuyaux destinés à résister à la pression est spécifiée dans la norme japonaise JIS G-3454. Il est avantageux que l'épaisseur de paroi du tuyau de refroidissement soit de 5 mm ou plus.

On va maintenant décrire dans la suite de façon plus 35 détaillée des modes préférés d'application de la présente invention.

* Les Fig. l(a) et 1 (b) représentent respectivement une [ > plaque de refroidissement conforme à la présente invention, % I.

»y 7 dans laquelle le tuyau de refroidissement X comportant une sur-! face non ondulée 2 a été pourvu du revêtement 3 et a été noyé i dans l'acier coulé 4. La plaque de refroidissement est suppor tée par les briques de creuset 5.

5 L'acier coulé 4 contient 0,31% C, 0,54% Si, 0,61% Mn, 0,019% P, 0,014% S et 16,7% Cr, il présente une zone solideliquide extrêmement réduite et d'excellentes résistance à la chaleur et résistance à l'usure

Le tuyau d'acier 1 comporte une épaisseur de paroi de 6 mm 10 et sa surface a été ondulée par meulage. Le tuyau d'acier pourvu

Ide la surface ondulée est préchauffé à environ 300°C et il est pourvu d'un revêtement de zircone 3 d'environ 0,3 mm d'épaisseur.

Le.tuyau de refroidissement 1 ainsi revêtu est mis en place dans un moule (non représenté) et de l'acier fondu ayant la 15 composition définie ci-dessus est coulé autour du tuyau à une température comprise entre 1530 et 1560°C de façon à produire une plaque de refroidissement.

On a constaté qu'une plaque de refroidissement ainsi réalisée ne donnait lieu à aucune fusion du tuyau de refroidisse-20 ment noyé dans celle-ci et possédait une très longue durée de service.

Sur les Fig. l(a) et 2 (b), on a représenté un autre mode de réalisation de la présente invention, le tuyau de refroidissement 1 comportant une surface ondulée 2 et étant pourvu d'un 125 revêtement comme indiqué sur la Fig. 1. Cependant, dans ce mode de réalisation, le tuyau de refroidissement a été pourvu d'une pluralité de protubérances ou de goujons d'acier faisant saillie de la surface du tuyau. Dans cet exemple, on a utilisé de l'acier fondu 4 contenant 0,31% C, 0,54% Si, 0,61% Mn, 0,019% P, 30 0,014% S et 16,7% Cr. La surface du tuyau de refroidissement a été ondulée (2) par grenaillage. On a soudé les goujons 6 sur la surface du tuyau et on les a répartis de façon discontinue, comme indiqué sur la Fig. 2(a), ou bien on a soudé une ailette continue autour de la surface du tuyau comme indiqué sur la 35 Fig. 2(b).

Avant l'opération consistant à noyer le tuyau de refroidissement dans la masse de la plaque, on a préchauffé le tuyau •w jusqu'à environ 30Û°C et on l’a pourvu d'un revêtement de zircone3 i f (./ 8 d'une épaisseur d'environ 0,3 mm. Le tuyau ainsi revêtu et comportant des protubérances a été placé dans un moule (non représenté) et on a coulé ensuite de l'acier ayant la composition définie ci-dessus autour du tuyau et autour des protu-5 bérances à une température comprise entre 1530 et 1560°C.

De cette manière, les protubérances ont été soudées directement sur l'acier moulé, tandis que le tuyau de refroidissement a été noyé dans une condition non-soudée avec l'acier du fait de la présence du revêtement.

10 On a mis en place les plaques de refroidissement conformes . aux modes de réalisation décrits ci-dessus dans un haut fourneau à environ 900°C et on les a refroidies en faisant passer l'eau de refroidissement à une température de 25°C avec un débit de 90 £/min et par tuyau, comme pour le refroidissement des plaques 15 classiques. La distribution résultante de température établie dans les parties de plaques, à l'exclusion des parties de tuyau, est représentée sur la Fig. 3. Par comparaison à la plaque de refroidissement classique X (sans les protubérances), la plaque de refroidissement Y conforme à la présente invention présente 20 un écart de refroidissement compris entre environ 100 et 150°C entre le point B et le point placé à l'intérieur C, comme indiqué sur la Fig. l(a). Cela indique que la capacité de refroidissement de la plaque est augmentée et il est possible de réduire au minimum l'augmentation de température dans la plaque 25 en vue d'empêcher efficacement une formation de criques et d'usures et, même si des criques sont provoquées dans des parties d'angle de la plaque, les protubérances ou goujons peuvent empêcher efficacement l'élimination des parties fissurées.

30 Comme le montre la description faite ci-dessus, la plaque de refroidissement conforme à la présente invention présente des avantages remarquables du fait que la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure et la résistance à la fissuration thermique sont notablement améliorées par rapport aux 35 plaques en fonte classiques et que le taux d'usure est notable-I ment réduit, ce qui allonge ainsi la durée de service d'un >- —!) haut fourneau.

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Claims

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1. Plaque de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comprend un tuyau de refroidissement en acier au carbone, qui est pourvu d’une surface rugueuse et d'un revêtement déposé 5 sur celle-ci, et en ce qu’il est prévu de l'acier coulé pour noyer le tuyau de refroidissement dans la plaque, ledit acier coulé ne contenant pas plus de 0,7% de C et de 10 à 25% de Cr.
2. Plaque de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’acier coulé contient :
10 C : 0,05 - 0,7% Si : 0,1 - 2,0% Mn : 0,1 - 2,0% P : 0,005- 0,080% S : 0,05 - 0,080%
15 Cr : 10 - 25% Fe : complément.
3. Plaque de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tuyau de refroidissement comporte une protubérance métallique placée sur sa surface extérieure. 20 4.- Plaque de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tuyau de refroidissement est pourvu sur sa surface extérieure d'un revêtement d'une épaisseur de 0,3 à 0,7 mm, et en ce qu'il possède une épaisseur de paroi non supérieure à 5 mm. 25 5.- Plaque de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on choisit le matériau du revêtement dans le groupe comprenant la zircone, l'alumine et la chamotte. 6, - Plaque de refroidissement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la protubérance métallique comprend une 30 pluralité d'ailettes séparées qui font saillie de la surface du tuyau de refroidissement.
7. Plaque de refroidissement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la protubérance métallique est une ailette continue en spirale qui entoure la surface du tuyau de 35 refroidissement. i ! / / t 10
8. Procédé de fabrication d'une plaque de refroidissement, caractérisé en ce qu'on rend rugueuse la surface d'un tuyau de refroidissement en acier au carbone destiné à Être noyé dans la plaque, en ce qu'on préchauffe le tuyau de refroidissement, en 5 ce qu'on dépose un revêtement sur la surface de ce tuyau et en ce qu'on coule un acier fondu ne contenant pas plus de 0,7% de C et de 10 à 25% de Cr autour du tuyau.
9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que . la protubérance métallique est disposée sur la surface du tuyau 10 de refroidissement et en ce que l'acier fondu est coulé autour * du tuyau de refroidissement revêtu et de la protubérance.
10.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on préchauffe le tuyau de refroidissement jusqu'à 100 à 300°C. / y S- \