LU87602A1 - Procede de formation d'une masse refractaire et lance de projection d'un melange de particules - Google Patents

Description

Procédé de formation d’une masse réfractaire et lance de projection d’un mélange de particules.

La présente invention se rapporte à un procédé de formation d’une masse réfractaire sur la surface d’un substrat, suivant lequel on projette, contre cette surface, un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de combustible qui réagit de manière exothermique avec le gaz oxydant en dégageant suffisamment de chaleur pour fondre au moins partiellement les particules réfractaires de manière qu’elles se lient pour former la masse réfractaire. L’invention se rapporte également à une lance de projection comprenant une tête pour projeter un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de particules oxydables exothermi-quement.

Un procédé de formation d’une masse réfractaire du type défini ci-dessus est notamment illustré par les brevets GB 1.330.894 et GB 2.170.191 (Glaverbel). Il est parfois dénommé "soudure céramique". Ce procédé est particulièrement approprié à la formation in situ d’une masse réfractaire sur une paroi réfractaire de fours ou d’autres équipements réfractaires, en vue de la réparation à chaud de cette paroi. Il est de préférence mis en oeuvre alors que la paroi est substantiellement à sa température habituelle de travail. Il est particulièrement utile pour réparer ou renforcer des parois ou des revêtements de parois de fours de verrerie, de fours à coke, de fours de cimenterie ou de l’industrie pétrochimique, ou d’équipements réfractaires utilisés en métallurgie des métaux ferreux ou non ferreux. De plus, la réparation peut être effectuée pendant le fonctionnement du four, comme par exemple la réparation de la superstructure d’un four de verrerie. Ce procédé est également utile pour la formation de composants réfractaires, par exemple pour le surfaçage de métaux réfractaires ou autres substrats réfractaires.

Ce procédé est utile en particulier pour former un revêtement réfractaire sur des parties d’équipements qui sont spécialement susceptibles de subir une érosion intense. Cette érosion peut être due notamment à une abrasion mécanique ou thermo-mécanique, ou à une corrosion en phase liquide ou gazeuse de la matière formant la paroi, ou elle peut être due à une combinaison de ces actions.

La face interne des blocs de cuve d’un four de verrerie au niveau de la surface du bain de verre en fusion constitue un exemple spécifique d’une surface réfractaire soumise à un phénomène d’érosion corrosive très intense. Cette face des blocs de cuve s’érode très rapidement à un point tel que la moitié de l’épaisseur des blocs peut facilement, et relativement rapidement, être enlevée à cet endroit Cette érosion est connue sous l’appellation technique "coup de sabre". Les blocs de cuve soumis à des températures très élevées, tels que les blocs de cuve du bassin de fusion et d’affinage du four, sont formés de matières hautement réfractaires telles que des matières réfractaires contenant une proportion élevée de zircone. On est obligé de les refroidir énergiquement en continu pour atténuer l’érosion.

Les orifices ou les poches de coulée de métaux en fusion, tels qu’utilisés en sidérurgie par exemple, sont des illustrations d’autres surfaces réfractaires soumises à une érosion corrosive et/ou thermo-mécanique relativement importante. L’abrasion thermo-mécanique par du métal à très haute température érode la surface du substrat réfractaire et il est souvent nécessaire de recharger cette surface ou de remplacer une partie au moins du substrat réfractaire. Les surfaces réfractaires internes des convertisseurs tels que ceux utilisés en aciérie ou dans l’industrie des métaux non-ferreux sont également soumises à une érosion relativement importante suite au brassage de l’acier ou du métal en formation.

La maîtrise des conditions opératoires pendant la mise en oeuvre de ce procédé de soudure céramique requiert une certaine habilité de la part de l’opérateur pour que le procédé conduise à la formation d’une masse réfractaire de haute qualité.

Un des objets de l’invention est de faciliter le contrôle des différents éléments en action dans la zone d’impact du dit courant sur la surface du substrat.

La présente invention se rapporte à un procédé de formation d’une masse réfractaire sur la surface d’un substrat, suivant lequel on projette, contre cette surface, un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de combustible qui réagit de manière exothermique avec le gaz oxydant en dégageant suffisamment de chaleur pour fondre au moins partiellement les particules réfractaires de manière qu’elles se lient pour former la masse réfractaire, caractérisé en ce que le dit combustible comprend des particules de dimensions sub-millimétriques d’au moins un élément capable de former un oxyde réfractaire en s’oxydant et en ce qu’on projette contre la surface, en même temps que le dit courant, un ou plusieurs jet(s) gazeux périphérique(s) qui entoure(nt) la zone d’impact du dit courant sur la surface du substrat pour former un écran gazeux autour de cette zone d’impact.

Par l’expression "formation d’une masse réfractaire sur la surface d’un substrat", on inclut non seulement la formation d’un revêtement de relativement faible épaisseur sur cette surface, dans le but par exemple de former une couche réfractaire d’usure ou dans le but de renforcer la surface, mais également la formation d’une masse ayant l’épaisseur d’une brique ou même d’un bloc.

Le procédé selon l’invention est très surprenant par le fait qu’on pourrait s’attendre, sachant la difficulté de maîtriser les conditions opératoires, à ce que la projection d’au moins un jet gazeux supplémentaire autour de la zone d’impact, qui est en fait la zone principale de formation de la masse réfractaire, perturbe la réaction exothermique qui est à la base de cette formation.

Au contraire, on s’est en réalité rendu compte qu’on disposait ainsi, de manière tout à fait étonnante, d’un paramètre supplémentaire pour contrôler, pendant la mise en oeuvre du procédé selon l’invention, les différents éléments qui entrent en jeu dans la zone d’impact pour former la masse réfractaire. On dispose donc d’un moyen d’action supplémentaire sur le déroulement de la réaction exothermique, ce qui permet de mieux maîtriser la formation de la masse réfractaire.

On s’est aussi rendu compte que l’écran gazeux permettait de réduire l’influence de l’environnement sur la zone d’impact. La zone d’impact est notamment ainsi mieux à l’abri des turbulences qui peuvent régner dans l’atmosphère environnante. Dans le cas fréquent où le procédé est mis en oeuvre pendant le fonctionnement du four sur une paroi duquel on forme la masse réfractaire, la zone d’impact est rendue plus indépendante des perturbations créées par exemple par le fonctionnement, l’arrêt ou la mise en marche d’un brûleur dans le voisinage de l’endroit de travail.

De plus, l’écran gazeux permet de confiner plus facilement le mélange de particules, et notamment les particules de combustible de dimensions sub-millimétriques, dans la zone d’impact de manière à concentrer l’action des différents éléments de base pour former la masse réfractaire.

Selon l’invention, le combustible comprend des particules d’au moins un élément capable, en s’oxydant, de former un oxyde réfractaire. Ces éléments peuvent en général s’oxyder très rapidement et donner lieu dès lors à une production intense d’énergie calorifique dans un espace relativement réduit. Ce dégagement important de chaleur favorise la fusion des particules réfractaires. Cette particularité s’associe au fait que les particules combustibles ont des dimensions sub-millimétriques pour faciliter la rapidité de l’oxydation. D’autre part, la masse formée se soudera plus facilement avec le substrat sur lequelle s’effectue la projection, puisqu’il s’agit le plus souvent d’une paroi réfractaire. De plus, comme la réaction exothermique ne génère pas des sous-produits indésirables pour la matière réfractaire, l’atmosphère de la zone d’impact peut être confinée par l’écran gazeux.

L’écran gazeux autour de la zone d’impact peut par exemple être formé par plusieurs jets gazeux périphériques qui se rejoignent uniquement à proximité de la zone d’impact. De préférence cependant, le ou les jets gazeux périphériques forment au moins un fourreau gazeux qui entoure le dit courant le long de son trajet vers la dite zone d’impact On forme ainsi un fourreau protecteur autour du dit courant et on peut éviter que des éléments, notamment du gaz, de l’atmosphère ambiante ne soient entraînés dans le courant avec le gaz oxydant et le mélange de particules. Toute la zone de réaction exothermique et de projection du mélange dans son gaz oxydant porteur peut ainsi être isolée de l’ambiance pour éviter l’introduction de tout élément étranger et perturbateur pour la réaction exothermique, et cette dernière peut dès lors aussi être mieux contrôlée.

De préférence, le ou les jets gazeux périphériques sont formés chacun d’un jet de gaz non combustible dont la température est du même ordre de grandeur que la température du dit courant avant l’amorçage de la réaction exothermique.

Un tel procédé est tout à fait surprenant. En effet, l’une des préoccupations permanentes lorsqu’on réalise une soudure céramique est d’éviter que la température de la zone d’impact ne soit trop faible pendant la formation de la masse réfractaire, par exemple suite à un mauvais contrôle des différents paramètres de la réaction exothermique. Une zone d’impact trop froide peut par exemple entraîner des interruptions momentanées de la réaction exothermique. Il est connu notamment que si cette température est trop faible, il se forme une porosité irrégulière et incontrôlée dans la masse réfractaire formée qui conduit à l’obtention de masses relativement poreuses, peu résistantes à l’abrasion ou à la corrosion. Cette porosité apparaît particulièrement si la masse réfractaire est formée par plusieurs passages de la lance de projection. La projection, selon l’invention, d’un ou de plusieurs jets gazeux périphériques de gaz non combustible relativement froid contre la surface du substrat pour former un écran gazeux autour de la zone d’impact est totalement surprenante car cette projection de gaz tend à refroidir fortement la zone d’impact et on pourrait donc s’attendre à ce que ce refroidissement conduise à la formation d’une masse poreuse peu résistante à l’érosion.

Lorsque la zone d’impact se déplace sur la surface à traiter, au moins une partie de cette projection de gaz non combustible relativement froid, en quantité suffisante pour former un écran efficace autour de la dite zone d’impact, tend à refroidir la surface traitée juste avant l’impact de la matière de soudure. Ceci est totalement contre-indiqué dans la plupart des techniques de soudure pour . l’obtention d’un résultat acceptable. Le procédé selon l’invention est donc très surprenant.

Nous avons constaté expérimentalement au contraire que, de manière totalement inattendue, le paramètre supplémentaire de contrôle de la réaction exothermique fourni par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention pouvait permettre la formation de masses réfractaires denses plus résistantes à l’érosion que les masses formées auparavant par les procédés de soudure céramique. Ce résultat est très étonnant car il va à l’encontre de l’opinion que l’homme de métier s’est forgé dans ce domaine depuis de nombreuses années.

La porosité de la masse réfractaire formée est notamment un des éléments essentiels qui déterminent son niveau de résistance à l’érosion. La porosité fragilise la masse réfractaire en donnant plus d’emprise au milieu érosif, surtout s’il est aussi corrosif. Les pores libèrent des chemins d’accès pour le milieu érosif rendant ainsi la matière réfractaire plus sensible à l’érosion car le milieu érosif peut agir à l’intérieur de la masse elle-même.

La porosité de la masse réfractaire est aussi un des éléments essentiels qui déterminent son niveau de résistance thermo-mécanique. En effet, les pores fragilisent aussi la masse par le fait qu’ils ne présentent aucune résistance mécanique. Ils créent ainsi des points faibles dans la masse et même éventuellement des amorces de rupture. Cette fragilité peut être plus critique lorsque la masse réfractaire se trouve à haute température.

On s’est rendu compte en réalité qu’avec la mise en oeuvre du procédé selon l’invention, on pouvait disposer d’un moyen de contrôle sur la température de la dite zone d’impact. On peut ainsi plus facilement éviter que la masse réfractaire en formation ne s’écoule par suite d’une température trop élevée dans la zone d’impact On peut dès lors ajuster les différent paramètres pour créer une réaction exothermique très énergétique, ce qui réduit le risque de travail dans des conditions opératoires trop froide et le risque d’irrégularités de fonctionnement tel que le déroulement intermittant de la réaction exothermique, tout en refroidissant la zone d’impact pour éviter l’écoulement de la masse en formation. Ceci facilite la réalisation d’une soudure homogène.

Des résultats très avantageux ont été obtenus en utilisant par exemple du gaz carbonique ou de l’azote comme jet gazeux périphérique. De préférence toutefois, le ou les jets gazeux périphériques comprennent de l’oxygène. L’écran gazeux peut ainsi apporter de plus une réserve d’oxygène dans le voisinage immédiat de la zone d’impact du dit courant pour favoriser la combustion complète des particules combustibles, ce qui améliore l’homogénéité de la masse » formée.

Le jet gazeux périphérique comprenant de l’oxygène peut être constitué par un jet d’air. Cest un gaz peu coûteux et facilement disponible en quantités importantes. De préférence cependant, le ou les jets gazeux périphériques sont essentiellement formés d’oxygène. La réserve oxydante formée autour de la dite zone d’impact est ainsi plus efficace puisque la concentration en oxygène est nettement plus élevée. Par suite de la combustion plus complète du combustible, la proportion de combustible par rapport à la quantité de particules réfractaires peut aussi être légèrement réduite. De plus, comme habituellement le gaz oxydant du courant comprenant le mélange de particules réfractaires et de combustible est de préférence de l’oxygène pur, ce gaz est dès lors facilement disponible sur place pour former le ou les jets gazeux périphériques selon l’invention sans nécessiter le stockage d’un autre gaz. D’autre part, en formant un écran d’oxygène, on évite que des gaz étrangers ne viennent empêcher l’oxydation des particules combustibles et perturber ainsi la réaction exothermique.

De préférence, le ou les jets gazeux périphériques sont projetés vers la surface avec une vitesse d’éjection au moins égale à la vitesse d’éjection du dit courant. Cette caractéristique permet de doter le ou les jets gazeux périphériques d’une énergie cinétique qui favorise la formation d’un écran gazeux efficace.

Avantageusement, le ou les jets gazeux périphériques sont projetés vers la surface avec un débit supérieur à la moitié, et de préférence égal ou supérieur aux deux tiers, du débit de gaz oxydant dans le dit courant. Ceci favorise la formation d’un écran relativement épais et cette caractéristique se combine également avec une vitesse d’éjection élevée pour favoriser la formation d’un écran très efficace. Nous avons constaté par exemple que, de manière totalement surprenante étant donné le refroidissement important généré, on pouvait même obtenir des masses réfractaires peu poreuses et très résistantes à l’érosion en formant un fourreau d’oxygène autour du dit courant avec un débit d’oxygène d’environ 30 à 50% supérieur au débit de gaz oxydant du dit courant, constitué également par de l’oxygène en quantité suffisante pour entretenir la réaction exothermique.

De préférence, le ou les dits éléments capables de former un oxyde réfractaire en s’oxydant est ou sont un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le magnésium, le zirconium et l’aluminium. Ces éléments sont capables de s’oxyder rapidement en dégageant une chaleur intense dans une espace relativement localisé.

Avantageusement, les dites particules combustibles ont une dimension moyenne inférieure à 50 pm et de préférence inférieure à 15 pm, et au moins une dimension maximum inférieure à 100 pm et de préférence inférieure à 50 pm. Les particules combustibles s’oxydent ainsi aisément, ce qui favorise le développement d’une énergie calorifique intense dans un espace réduit et la réalisation d’une bonne soudure des particules de matières réfractaires entre elles. La faible dimension de ces particules combustibles favorisent aussi leur combustion complète, et de ce fait l’homogénéité de la masse formée.

L’invention s’étend à une masse réfractaire obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus et notamment à une masse hautement réfractaire à base de zircone et d’alumine.

L’invention concerne également une lance de projection comprenant une tête pour projeter un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de particules oxydables exothermiquement, caractérisée en ce que la tête de projection comprend un ajutage central ou un groupe d’ajutages pour projeter le mélange de particules dispersées dans le gaz oxydant, des moyens périphériques de projection de gaz entourant l’ajutage central ou le groupe d’ajutages pour projeter un ou plusieurs jet(s) gazeux périphérique(s) autour du dit courant projeté par l’ajutage central ou le groupe d’ajutages, et une couronne externe de refroidissement.

La lance selon l’invention est simple et elle permet de former facilement un écran gazeux autour de la zone d’impact du courant projeté par l’ajutage central ou le groupe d’ajutages sur la surface traitée. Cette lance selon l’invention fournit à l’opérateur un paramètre de contrôle supplémentaire pour lui permettre de réaliser une soudure céramique de qualité.

Les moyens périphériques de projection de gaz peuvent comprendre une série d’orifices de projection disposés tout autour de l’ajutage central ou du groupe d’ajutages. De préférence, les moyens périphériques de projection de gaz comprennent un orifice annulaire pour projeter un fourreau gazeux autour du dit courant projeté par le dit ajutage central ou groupe d’ajutages. C’est un moyen simple, facile et efficace pour maintenir un fourreau gazeux autour du courant comprenant le gaz oxydant et le mélange de particules. L’orifice annulaire, ainsi d’ailleurs que l’ajutage central s’il échêt, peut présenter un section rectangulaire ou circulaire.

Avantageusement, les moyens périphériques de projection de gaz sont disposés de manière espacée par rapport au dit ajutage central ou groupe d’ajutages. Le ou les jets gazeux périphériques peuvent ainsi être plus facilement séparés, tout au moins dans une zone proche de la tête de projection, du courant central comprenant le gaz oxydant et le mélange de particules.

De préférence, l’orifice annulaire est maintenu espacé de l’ajutage central ou du groupe d’ajutages par une couronne interne de refroidissement. Ceci permet de séparer efficacement le fourreau gazeux du dit courant à la sortie de la tête de projection et de maintenir ce courant suffisamment froid à la sortie de la tête de projection pour éviter toute combustion prématurée. La tête de projection est mieux refroidie et elle peut dès lors séjourner plus longtemps dans des endroits à température très élevée. Ce dispositif est toutefois très surprenant car cette couronne de refroidissement supplémentaire augmente le poids de la lance, ce qui tend à la rendre moins maniable. Nous avons pourtant constaté expérimentalement que la lance selon l’invention était très avantageuse pour effectuer des soudeurs céramiques de haute qualité dans des endroits à température très élevée.

De préférence, l’aire de projection des moyens périphériques de projection de gaz est supérieure aux deux tiers et inférieure au triple de l’aire de l’ajutage central ou de l’aire totale des ajutages du groupe. Ceci permet de projeter un ou plusieurs jets de gaz périphériques avec une vitesse et un débit suffisants pour le ou les doter d’une énergie cinétique qui leur permette de réaliser un écran gazeux efficace.

Des formes préférées de réalisation de l’invention seront maintenant décrites à titre d’exemple en se référant aux figures annexées, dans lesquelles :

La figure 1 représente, de manière schématique, la zone de projection sur la surface d’un substrat pendant la mise en oeuvre du procédé selon l’invention;

La figure 2 est une coupe schématique et partielle dans une lance de projection selon l’invention; et

La figure 3 représente schématiquement un test d’érosion pratiqué sur des masses réfractaires.

Dans la figure 1, la référence 1 représente une portion de la surface du substrat sur laquelle on désire former une masse réfractaire par projection, contre cette surface, d’un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de combustible. Ce courant rencontre la surface 1 schématiquement selon une zone d’impact 2. Selon l’invention, on projette en même temps contre la surface 1 un ou plusieurs jets gazeux périphériques qui entourent la zone d’impact 2 pour former un écran gazeux autour de cette zone d’impact 2. Dans la figure 1, on a représenté schématiquement l’intersection de cet écran gazeux avec la surface 1 par une zone annulaire 3 qui entoure la zone d’impact 2 de manière contiguë. Il est évident qu’en pratique la zone annulaire 3 peut être légèrement espacée de la zone d’impact 2, ou au contraire la zone annulaire 3 et la zone d’impact 2 peuvent s’interpénétrer partiellement.

Dans la figure 2, la tête de projection 4 de la lance 5 comprend un ajutage central 6 pour projeter le courant 7 comprenant le mélange de particules dispersées dans le gaz oxydant. Au lieu d’un seul ajutage central 6, la lance peut inclure un groupe de plusieurs ajutages pour projeter le courant 7. Une lance de projection comprenant un tel groupe d’ajutages est par exemple décrite et revendiquée dans le brevet britannique N° 2 170 122. La tête 4 comprend aussi, selon l’invention, des moyens périphériques de projection de gaz. Dans le mode de réalisation montré à la figure 2, les moyens périphériques de projection de gaz comprennent un orifice annulaire 8 qui entoure, de manière espacée, l’ajutage central 6 pour projeter un jet gazeux périphérique formant un fourreau gazeux 9. Le fourreau gazeux 9 forme l’écran gazeux 3’ qui intercepte la surface 1 selon une zone annulaire 3. Dans un exemple spécifique, l’aire de l’orifice annulaire 8 est légèrement supérieure au double de l’aire de l’ajutage central 6. Le mélange de particules, dispersées dans le gaz oxydant, est introduit par le tube d’alimentation 10 et le gaz du jet gazeux périphérique est introduit par la canalisation 11. La lance 5 comprend également une couronne externe de refroidissement 12 avec entrée et sortie d’eau de refroidissement. Sur la figure 2, on a aussi représenté une couronne de refroidissement 13, avec entrée et sortie d’eau de refroidissement, qui maintient l’orifice annulaire 8 espacé de l’ajutage central 6. Cette couronne de refroidissement peut toutefois être omise si on le désire et remplacée par un simple petit intercalaire permettant de maintenir l’orifice annulaire 8 espacé de l’ajutage central 6.

La figure 3 représente de manière schématique un test d’érosion sur une masse réfractaire. Un barreau prismatique 14, découpé dans la masse réfractaire à tester, est immergé partiellement dans un bain 15 de verre en fusion à 1550°C contenu dans un creuset (non représenté). Cette température est supérieure à la température la plus élevée habituellement mise en oeuvre pour du verre en fusion dans un four de verrerie. Ce barreau est maintenu immergé et on observe son degré d’usure après 16 heures.

Exemple 1:

On doit réparer les blocs de cuve du bassin de fusion d’un four de verrerie sans refroidir le four. Ces blocs sont fortement érodés, essentiellement au niveau de la surface du bain de verre en fusion où se forme le "coup de sabre". Ce sont des blocs électrofondus hautement réfractaires à base d’alumine et de zircone, dont la composition comprend en poids 50-51% d’alumine, 32-33% de zircone, 15-16% de silice et environ 1% d’oxyde de sodium et qui possède une densité totale de 3,84. Pour pouvoir atteindre cette surface, on descend le niveau de verre en fusion d’une vingtaine de centimètres. Pour effectuer la réparation, on projette un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de combustible contre le bloc de cuve chaud. On utilise un mélange de particules comprenant : 40-50% de ZrC^, 38-44% d’A^O^, 8-4% d’Al et 4-8% de Si, pourcentages en poids. Les particules de silicium sont des grains dont la dimension moyenne est de 6 pm et dont la surface spécifique est de 5000 cm /g. Les particules d’aluminium sont des grains dont la dimension moyenne est de 5 pm et dont la surface spécifique est de 4700 cm /g. La dimension maximum des particules d’aluminium et de silicium n’excède pas 50 pm. Les particules de silicium et d’aluminium brûlent en dégageant suffisamment de chaleur pour faire fondre au moins partiellement les particules réfractaires de manière qu’elles soient soudées entre elles. Les particules réfractaires de zircone ont une dimension moyenne de 150 pm et les particules réfractaires d’alumine ont une dimension moyenne de 100 pm.

Pour tester la résistance à la corrosion par le verre de la masse réfractaire qui sera formée sur la surface des blocs de cuve du four, on réalise tout d’abord une masse réfractaire sur la surface d’un bloc de cuve de réserve, ou d’un substrat approprié, porté à 1500°C dans un four d’essai, par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention. Pour ce test, on utilise en poids 8% de Si et 4% d’Al dans le mélange.

Le mélange des particules dispersées dans le gaz oxydant est projeté par la lance 5 montrée à la figure 2. Il est introduit par le tube d’alimentation 10. L’ajutage central 6 est circulaire et il a une aire de 113 mm . Le mélange est projeté selon un débit de 30 kg/h avec de l’oxygène comme gaz oxydant à raison de 25 Nm /h. Le courant 7 comprenant le mélange de particules et le gaz oxydant atteint la surface 1 à traiter selon une zone d’impact 2. Selon l’invention, on projette également contre cette surface 1 un jet gazeux périphérique qui forme un écran gazeux 3’ autour de la zone d’impact 2. Dans cet exemple, le jet gazeux périphérique est constitué par de l’oxygène pur projeté par l’orifice annulaire 8 3 selon un débit de 40 Nm /h sous forme d’un fourreau gazeux 9 qui entoure le courant 7 le long de son trajet depuis la tête 4 de la lance 5 jusque la zone d’impact 2 2. L’orifice annulaire 8 possède une section circulaire et il a une aire de 310 mm .

Pendant la mise en oeuvre du procédé, l’écran gazeux 3’ a fourni un moyen d’action supplémentaire sur l’évolution de la réaction exothermique et la formation de la masse réfractaire. La réaction exothermique est stable et relativement bien délimitée. La porosité totale de la masse formée est de 9% et sa porosité apparente ou porosité ouverte est de 1,5%. La densité apparente de la masse réfractaire formée, c’est-à-dire la densité de la masse avec sa porosité telle qu’elle existe, est de 3,5. La densité totale ou densité absolue de cette masse, c’est-à-dire la densité de la matière réfractaire elle-même mesurée sur un échantillon broyé finement pour éliminer l’influence des pores, est de 3,85.

On découpe un barreau prismatique 14 (figure 3) de 20x20x120 mm dans cette masse réfractaire. Ce barreau-test est maintenu partiellement immergé dans un bain 15 de verre en fusion à 1550°C contenu dans un creuset (non représenté). On observe le degré d’usure de ce barreau après 16 heures.

A titre de comparaison, on a réalisé un échantillon témoin de dimension identique qui a été également maintenu partiellement immergé dans le même bain de verre en fusion à la même température. Pour faciliter la comparaison, l’échantillon témoin et le barreau-test ont été représentés schématiquement selon un seul et même barreau 14 sur la figure 3. L’échantillon témoin est un barreau prismatique qui a été découpé dans une masse réfractaire formée de la même manière que la masse réfractaire de l’exemple 1 sauf que le jet gazeux périphérique était omis, c’est-à-dire une masse réfractaire formée par un procédé sortant du cadre de la présente invention. La masse réfractaire ainsi formée présente une porosité totale de 19,7% et une porosité apparente de 3,5%. Elle possède une densité apparente de 3,03 et une densité absolue de 3,77.

Après 16 heures, le barreau 14 de l’échantillon témoin prend une forme représentée schématiquement par le trait interrompu 16. On constate que la portion submergée 17 du barreau 14 a subi une corrosion importante due à son immersion dans le bain de verre et que les arêtes du prisme sont arrondies. On constate que la surface 18 du bain 15 de verre en fusion a érodé fortement l’échantillon pour lui donner une forme particulière en "coup de sabre" 19. Le diamètre du barreau au niveau du centre du "coup de sabre" est approximativement réduit au tiers de sa valeur nominale.

Le barreau 14 découpé dans la masse réfractaire formée par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention prend, après 16 heures, la forme représentée par le trait interrompu 20. On constate une érosion nettement moindre de la partie submergée. Les arêtes du prisme sont très peu arrondies. Le "coup de sabre" 19 est très nettement moins prononcé que pour l’échantillon témoin. Le diamètre du barreau au niveau du centre du "coup de sabre" est réduit approximativement seulement aux deux tiers de sa valeur nominale. La mise en oeuvre du procédé selon l’invention a donc permis la réalisation d’une masse réfractaire nettement plus résistante à l’érosion que la masse formée par le procédé antérieur. L’examen au microscope d’une section pratiquée dans ce barreau montre également qu’il n’y a pratiquement pas de phases métalliques résiduelles, ce qui montre que l’oxydation des particules métalliques est pratiquement complète. Cet aspect est très favorable pour une masse réfractaire qui doit être en contact avec le verre fondu car il est connu que le contact des phases métalliques avec le verre en fusion est une source possible de développement de bulles dans le verre.

Exemple 2: A titre de variante de l’exemple 1, on réalise une masse réfractaire de la même manière que dans l’exemple 1 excepté que le débit d’oxygène du courant

O

7 est de 30 Nm /h et le débit d’oxygène du jet gazeux périphérique 9 est de 20 Nm /h. La masse réfractaire formée possède une porosité apparente de 2%, une porosité totale de 8,3%, une densité apparente de 3,56 et une densité totale de 3,88.

Dans cette masse, on a découpé un barreau prismatique 14 que l’on a partiellement immergé dans le bain 15 de verre en fusion contenu dans le creuset. Après 16 heures, le test d’érosion montre une érosion similaire à la masse de l’exemple 1. Le barreau prend la forme montrée par le trait interrompu 20. L’examen au microscope d’une section pratiquée dans ce barreau montre aussi qu’il n’y a pratiquement pas de phases métalliques résiduelles.

Exemple 3:

On a réalisé une masse réfractaire de la même manière que dans l’exemple 1, excepté que le fourreau gazeux 9 était formé de gaz carbonique projeté selon un débit de 20 Nm /h et que l’oxygène du courant 7 était projeté selon un débit de 30 Nm' /h. On a constaté également que la réaction exothermique était stable et relativement bien délimitée. La masse réfractaire formée présentait une porosité apparente de 1,5%, une porosité totale de 4,6%, une densité apparente de 3,5 et une densité absolue de 3,67.

Dans cette masse, on a découpé un barreau prismatique 14 que l’on a partiellement immergé dans le bain 15 de verre en fusion contenu dans le creuset.

Après 16 heures, le test d’érosion montre aussi une érosion similaire à la masse de l’exemple 1. Le barreau prend sensiblement la forme montrée par le trait interrompu 20.

Exemple 4:

On a réalisé une masse réfractaire de la même manière que dans l’exemple 1, excepté que le fourreau gazeux 9 était formé d’azote projeté selon un 'l débit de 18 Nm /h et que l’oxygène du courant 7 était projeté selon un débit de 30 Nm /h. On a constaté également que la réaction exothermique était stable et relativement bien délimitée. La masse réfractaire formée présentait une porosité apparente de 2,5% et une densité apparente de 3,5.

Dans cette masse, on a découpé un barreau prismatique 14 que l’on a partiellement immergé dans le bain 15 de verre en fusion contenu dans le creuset. Après 16 heures, le test d’érosion montre aussi une érosion similaire à la masse de l’exemple 1. Le barreau prend sensiblement la forme montrée par le trait interrompu 20.

Exemple 5:

Pour effectuer une réparation de consolidation dans une voûte de four formée de briques de silice à une température d’environ 1500°C, on utilise le mélange suivant : 87% de particules réfractaires de silice, 12% de particules combustibles de silicium et 1% de particules combustibles d’aluminium, pourcentages en poids. Les particules de silicium et d’aluminium ont chacune une dimension moyenne inférieure à 10 um, la surface spécifique du silicium étant de 2 2 4000 cm /g et celle de l’aluminium étant de 6000 cm /g. La dimension maximum des particules d’aluminium et de silicium n’excède pas 50 pm.

Ce mélange est projeté en mettant en oeuvre le procédé selon l’invention. Le mélange de particules est introduit avec de l’oxygène pur par le tube d’alimentation 10, à raison de 35 kg/h de matière et 25 Nm^/h d’oxygène, pour être projeté sous forme du courant 7. Selon l’invention, on projette également contre la surface 1 à traiter un jet gazeux périphérique qui forme un écran gazeux 3’ autour de la zone d’impact 2. Dans cet exemple, le jet gazeux périphérique est constitué par de l’oxygène pur projeté selon un débit de 30 Nm /h sous forme d’un fourreau gazeux 9 qui entoure le courant 7 le long de son trajet depuis la tête 4 de la lance 5 jusque la zone d’impact 2. Dans la masse formée, on ne retrouve pratiquement pas de métal imbrulé.

A titre de comparaison, on a formé une masse réfractaire en projetant le même mélange que ci-dessus à raison de 30 kg/h avec un même débit d’oxygène T.

de 25 Nm /h. Pour cette comparaison, on a toutefois omis le jet gazeux périphérique d’oxygène.

Pendant la mise en oeuvre du procédé selon l’invention, on s’est rendu compte que l’écran gazeux 3’ fournissait un moyen d’action supplémentaire pour contrôler la formation de la masse réfractaire n’existant pas dans le cas de l’essai de comparaison. D’autre part, l’écran gazeux 3’ isolait la zone d’impact 2 de sorte que les turbulences de l’ambiance dues au fonctionnement du four pendant la réparation n’agissait pratiquement pas sur la formation de la masse réfractaire. La réaction exothermique était plus stable et mieux confinée, et il n’y avait pas de fonctionnements intermittants de la réaction exothermique.

Exemple 6:

On doit effectuer une réparation dans un convertisseur de cuivre de l’industrie métallurgique des non-ferreux. On procède de la même manière que pour l’exemple 5, excepté que le mélange a la composition suivante en poids : 40% de particules d’oxyde de chrome, 48% de particules de magnésie et 12% de particules d’aluminium. Les particules d’aluminium ont une dimension maximum nominale de 45 pm et une surface spécifique supérieure à 3000 cm /g. Les particules réfractaires ont toutes une dimension maximum inférieure à 2 mm. Cet exemple de réalisation a montré également que, par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention, l’écran gazeux fournissait un moyen d’action supplémentaire pour contrôler le déroulement de la réaction exothermique et la formation de la masse réfractaire. La réaction exothermique est stable et bien confinée.

A titre de variante, l’orifice annulaire 8 de la tête de projection 4 a été remplacé par une série d’injecteurs projetant des jets gazeux qui se rejoignent pour former l’écran gazeux 3’. De très bons résultats ont aussi été obtenus avec cette lance de projection.

Exemple 7:

On désire former une masse réfractaire ayant la composition la plus proche possible du réfractaire de base sur une paroi de convertisseur d’aciérie constituée de briques de magnésie - carbone composée de 90% en poids de MgO et de 10% de carbone. La paroi est à une température de 900°C. On projette sur ces briques un mélange de particules comprenant des particules carbonées. Le mélange est projeté à raison de 500kg/heure dans un courant gazeux oxydant contenant 70% en volume d’oxygène. Le mélange a la composition suivante:

MgO 82% en poids Si 4%

Al 4% C 10%

Les particules de silicium ont un diamètre moyen de 10μ et une surface spécifique de 5000cm2/gr. Les particules d’aluminium ont un diamètre moyen de 10μ et une surface spécifique de 8000cm2/gr. Les particules de carbone sont des particules formées par broyage de coke et leur diamètre moyen est de 1,25mm. Les particules de MgO ont un diamètre moyen de 1mm. Selon l’invention, on forme un écran gazeux autour de la zone d’impact du courant comprenant les particules dispersées dans le gaz oxydant sur la paroi du convertisseur en projetant du CO2 avec un débit supérieur à la moitié du débit de gaz oxydant pour former un fourreau gazeux autour du dit courant. Pendant la mise en oeuvre du procédé, on a constaté que la réaction exothermique était stable et bien confinée. Les particules de carbone projetées ne s’oxydent pas totalement de sorte que la masse formée contient environ 5% de carbone. Sans l’écran gazeux formé par le jet de CC>2 périphérique, la masse formée ne contient qu’environ 3% de carbone.

Claims (17)

1. Procédé de formation d’une masse réfractaire sur la surface d’un substrat, suivant lequel on projette, contre cette surface, un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de combustible qui réagit de manière exothermique avec le gaz oxydant en dégageant suffisamment de chaleur pour fondre au moins partiellement les particules réfractaires de manière qu’elles se lient pour former la masse réfractaire, caractérisé en ce que le dit combustible comprend des particules de dimensions sub-millimétriques d’au moins un élément capable de former un oxyde réfractaire en s’oxydant et en ce qu’on projette contre la surface, en même temps que le dit courant, un ou plusieurs jet(s) gazeux périphérique(s) qui entoure(nt) la zone d’impact du dit courant sur la surface du substrat pour former un écran gazeux autour de cette zone d’impact.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques forment au moins un fourreau gazeux qui entoure le dit courant le long de son trajet vers la dite zone d’impact.

3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques sont formés chacun d’un jet de gaz non combustible dont la température est du même ordre de grandeur que la température du dit courant avant l’amorçage de la réaction exothermique.

4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques comprennent de l’oxygène.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques sont essentiellement formés d’oxygène.

6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques sont projetés vers la surface avec une vitesse d’éjection au moins égale à la vitesse d’éjection du dit courant.

7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques sont projetés vers la surface avec un débit supérieur à la moitié du débit de gaz oxydant dans le dit courant.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ou les jets gazeux périphériques sont projetés vers la surface avec un débit égal ou supérieur aux deux tiers du débit de gaz oxydant dans le dit courant.

9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le ou les dits éléments capables de former un oxyde réfractaire en s’oxydant est ou sont un ou plusieurs éléments choisis parmi le silicium, le magnésium, le zirconium et Γ aluminium.

10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les dites particules combustibles ont une dimension moyenne inférieure à 50 pm et de préférence inférieure à 15 pm, et au moins une dimension maximum inférieure à 100 pm et de préférence inférieure à 50 pm.

11. Masse réfractaire obtenue par un procédé selon les revendications là 10.

12. Masse hautement réfractaire à base zircone et d’alumine obtenue par un procédé selon l’une des revendications 1 à 10.

13. Lance de projection comprenant une tête pour projeter un courant comprenant du gaz oxydant ainsi qu’un mélange de particules réfractaires et de particules oxydables exothermiquement, caractérisée en ce que la tête de projection comprend un ajutage central ou un groupe d’ajutages pour projeter le mélange de particules dispersées dans le gaz oxydant, des moyens périphériques de projection de gaz entourant l’ajutage central ou le groupe d’ajutages pour projeter un ou plusieurs jet(s) gazeux péiiphérique(s) autour du dit courant projeté par l’ajutage central ou le groupe d’ajutages, et une couronne externe de refroidissement.

14. Lance de projection selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens périphériques de projection de gaz comprennent un orifice annulaire pour projeter un fourreau gazeux autour du dit courant projeté par le dit ajutage central ou groupe d’ajutages.

15. Lance de projection selon l’une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que les moyens périphériques de projection de gaz sont disposés de manière espacée par rapport au dit ajutage central ou groupe d’ajutages.

16. Lance de projection selon les revendications 14 et 15, caractérisée en ce que l’orifice annulaire est maintenu espacé de l’ajutage central ou du groupe d’ajutages par une couronne interne de refroidissement.

17. Lance de projection selon l’une des revendications 13 à 16, caractérisée en ce que l’aire de projection des moyens périphériques de projection de gaz est supérieure aux deux tiers et inférieure au triple de l’aire de l’ajutage central ou de l’aire totale des ajutages du groupe.