Brevet FR2011258A1 — publié le 19700227

La présente invention a pour objet une tête de lance pour le soufflage de l'oxygène dans un bain de métal fondu, capable de fonctionner immergée dans le bain jusqu'à la surface de la couche de séparation entre la scorie et le métal fondu. 5 On connaît la méthode consistait à accélérer les processus d'oxydation par soufflage d'oxygène gazeux dans le bain de métal des fours électriques ou Siemens-Martin,ou à la surface du bain dans les convertisseurs de type LD, Koldo, LD-AC et d'autres agrégats pour l'élaboration des aciers, utilisant à cet effet des lances refroidies à l'eau et par lesquelles on souffle 10 l'oxygène. C'est la tête qui est la partie la plus sollicitée de la lance, car elle s'use rapidement, à cause des grandes températures de la zone de réaction, pouvant atteindre de 2200 à 2500° C, et à cause du contact avec la scorie et le métal fondu. On connaît des têtes de lance en cuivre coulé, avec admission centrale 15 d'eau de refroidissement ou admission centrale d'oxygène. A cause de la forme compliquée de la tête de la lance, on ne réussit pas à obtenir par coulage des sections à épaisseur uniforme et, en conséquence, pendant l'utilisation, le refroidissement des surfaces n'est pas uniforme, et il en résulte des tensions intérieures qui provoquent l'usure rapide de la tête de lance. 20 Encore à cause du coulage, la structure du matériel présente des porosités, tant à la surface qu'en profondeur à cause desquelles la résistance dans le bain de métal fondu est très faible. Un autre inconvénient est le fait que le cuivre coulé se prête difficilement à la soudure, opération pendant laquelle apparaissent des fissures, tant à la soudure proprement dite qu'à la 25 tête de lance ou au voisinage immédiat de la soudure. On connaît aussi des têtes de lance en cuivre usiné mécaniquement, avec admission centrale de l'eau de refroidissement. Pour réaliser ces têtes de lance, il est nécessaire d'usiner l'intérieur du creux central pour l'admission de l'eau et du creux d'évacuation. Dans ce,type de tête de lance, 30 la chemise extérieure est formée par le corps même de la lance, dont le tuyau extérieur est soudé à la base même du corps de lance. A cause de sa forme qui ne permet pas un refroidissement suffisamment actif des ajutages pour l'émission de l'oxygène et des soudures, la durée de vie de ces têtes de lance est relativement réduite. 35 Un autre type de tête de lance munie drune admision centrale d'eau de refroidissement est constitué d'une chemise extérieure et d'une autre intérieure et, dans le creux de ces deux chemises, refroidi avec de l'eau introduite par la chemise intérieure, se trouvent de nombreux ajutages par lesquels l'oxygène est introduit. Les ajutages pour l'oxygène pénètrent 40 jusqu'à l'extérieur de la chemise de 1a tête de lance et sont soudés à 69 5 10 15 20 25 30 35 40 13121 2011258 l'extérieur. De même, le corps de la lance est soudé à la chemise extérieure de la tête de lance au voisinage de la zone soumise à la plus grande sollicitation thermique. Le principal inconvénient de cette lance réside en ce que les soudures faites pour la jointure des ajutages et de la tête de lance avec le corps de lance, quand elles sont introduites dans le bain de métal fondu, sont abimées après une courte période de fonctionnement et le dispositif doit être mis au rebut. Pour remédier aux défauts ci-dessus mentionnés de ces types de lances, on applique la méthode du soufflage d'oxygène à la surface du bain -en plaçant la tête de lance à approximativement 100-150 mm au-dessus du niveau maximal de la scorie. Mais dans ces conditions, pour que l'oxygène puisse pénétrer dans la masse liquide du produit affiné, le soufflage de l'oxygène se fait à des pressions et des vitesses élevées et, à la suite de tels usages, en dehors du fait qu'il se produit des pertes importantes d'oxygène, lequel revient dans l'atmosphère du four sans avoir agi sur le métal fondu, il en résulte des gouttes de scorie et de métal fondu projetées par l'effet du jet d'oxygène sur les parois du four, provoquant une usure prématurée du matériau réfractaire et le four devient hors d'usage avant le délai normal. La tête de lance conforme à l'invention supprime les inconvénients ci-dessus mentionnés en ce que, pour permettre l'immersion de ladite tête dans le bain de métal fondu jusqu'à la couche de séparation acier-scorie et pour éliminer les tensions intérieures dues aux dilatations provoquées par les températures des couches avec lesquelles elle vient en contact (scorie fondue, métal fondu), ladite tête est constituée d'une chemise extérieure confectionnée par estampage à froid de cuivre électrolytique laminé et forgé, ayant l'épaisseur à la base plus grande que celle des parois latérales, et dans laquelle est fixée, à l'aide de tuyaux d'admission en cuivre, une chemise extérieure confectionnée en acier. L'exemple suivant illustre la réalisation de la tête de lance conforme à l'invention, avec référence aux figures 1 à 4, lesquelles représentent : - la figure 1, une section longitudinale de la tête de lance; - la figure 2, une section -longitudinale de la chemise extérieure de la tête de lance; - la figure 3, une section longitudinale de la chemise intérieure de la tête de lance; - la figure 4, urne section longitudinale d'une lance à laquelle est attachée la tête de lance. La tête de lance conforme à l'invention est formée d'une chemise extérieure 1, dans laquelle sont assemblés de manière convenable des tuyaux 2 servant au soufflage de l'oxygène dans le bain de métal, les extrémités 13121 3 5011258 supérieures desdits tuyaux 2 étant fixées à une chemise intérieure 3 constituée d'une pièce unitaire, de telle manière qu'on puisse réaliser une liaison directe entre l'admission de l'oxygène et celle de l'eau. Cette tête de lance est assemblée à un corps de lance de structure usuelle, dont la description sera expliquée dans ce qui suit. Pour réaliser une durabilité optimale dans les conditions du soufflage de l'oxygène directement dans la masse de métal fondu, la chemise extérieure 1 de la tête de lance conforme à .l'invention a une hauteur qui correspond aux épaisseurs usuelles de la couche de scories du four et, pour pouvoir disposer d'une structure plus homogène, elle est confectionnée dans sa forme finale en cuivre électrolytique laminé et forgé par estampage à froid, pour que les parois latérales d'épaisseur convenable soient plus minces que la base, laquelle, pour réaliser un jet optimal du fluide de refroidissement, présente une conicité convenablement dirigée vers l'intérieur. Les tuyaux 2 sont confectionnés en unutube de cuivre électrolytique et sont assemblés à la chemise extérieure 1, dans des orifices b usinés de telle manière que l'extrémité du tuyau 2 ne pénètre pas jusqu'à l'extérieur de la chemise 1, mais qu'elle s'arrête approximativement à la moitié de l'épaisseur de cette partie de la chemise 1. L'assemblage est réalisé par brasure avec un alliage spécifique approprié,3ou par soudure. La chemise intérieure 3 est confectionnée en acier et renferme une partie tubulaire £ munie à l'extrémité supérieure d'un collet d. Sur le collet d est pratiqué un canal circulaire e de profondeur convenable, au fond dudit canal e étant pratiqués des orifices f dans lesquels s'assemble la partie supérieure des tuyaux 2. De cette manière et à l'aide des soudures inférieures et supérieures par lesquelles les tuyaux d'admission 2 sont fixés à la chemise extérieure 1, respectivement à la chemise intérieure 3, on obtient un assemblage rigide de ces deux chemises, en réalisant en même temps un creux-intérieur par lequel le fluide de refroidissement pénètre à la tête de lance et un creux extérieur h, lequel assure le contact direct de l'eau de refroidissement avec la paroi latérale de la chemise extérieure 1. D'autre part, la conicité a centrée sur l'axe central de la lance, assure une direction optimale du fluide de refroidissement, et de telle manière que le fluide le plus froid vienne premièrement en contact direct avec la partie la plus sollicitée thermiquement de la tête de lance, la surface agrandie de contact assurant un transfert amélioré de la chaleur accumulée dans la chemise^extérieure 1 de la tête de lance. La tête de lance, avec les caractéristiques .mécaniques et de construction mentionnées, est attachée par soudure au corps proprement dit de la lance, constitué à son.tour de trois;tuyaux concentriques 4, 5 et 6, confectionnés en acier, aux diamètres suivants : le tuyau central 4, par lequel 13121 4 2011258 est admis le fluide de refroidissement, de préférence de l'eau, correspond et est soudé à la partie tubulaire c de la chemise intérieure 3; le tuyau intermédiaire 5 correspond en diamètre et est soudé à l'extrémité du col d de la chemise intérieure 3; le tuyau extérieur 6 est soudé à la chemise extérieure 1. De cette manière, le creux intérieur de la tête de lance se trouve en prolongement du tuyau 4, et le creux extérieur h^ de la tête de lance correspond à une cavité annulaire h^ par laquelle le fluide de refroidissement circule vers la sortie de la lance; dans ce but, vers l'extrémité supérieure de la lance se trouve une chambre d'évacuation 7, laquelle, par son volume, assure la réduction de la pression du fluide de refroidissement, dirigé vers l'extérieur de la lance par le coude 7a. Correspondant au canal annulaire du collet d de la chemise intérieure 3, le tuyau 5 forme dans le corps de la lance une cavité intermédiaire i, par laquelle l'oxygène arrivé dans la lance par le coude 8 est dirigé vers les tuyaux d'admission 2 de la tête de lance. A cause de la différence de section entre la cavité intermédiaire jL et la section totale des tuyaux 2, la vitesse d'admission de l'oxygène dans le-bain de métal fondu sera appréciablement augmentée, assurant de cette manière une pénétration convenable de l'oxygène dans la masse de métal fondu. La cavité intermédiaire i_ est limitée à l'extrémité supérieure de la lance par le couvercle 9 rendu étanche par soudure tant au tuyau intermédiaire 5 qu'au tuyau intérieur 4. De cette manière, le système est rendu rigide tant par les soudures effectuées au couvercle 9, que par les soudures effectuées entre la chemise intérieure 3 et les tuyaux intérieur- 4 et intermédiaire 5, lesquels, à leur tour, sont en totalité solidarisés avec la tête de lance et avec le tuyau extérieur 6 par les soudures attachant les tuyaux 2 à la chemise extérieure 1 et par la soudure entre la chemise extérieure 1 et le tuyau extérieur 6. La chambre d'évacuation 7, dont la base se trouve à la même distance du tuyau intermédiaire 5, peut, par son couvercle k, glisser concentriquement au long du tuyau intermédiaire 5. Pour rendre étanche la cavité circulaire h^ et la chambre d'évacuation 7, tout en gardant la mobilité du tuyau intermédiaire 5, sur le couvercle k est soudée une cannelure annulaire 10; entre cette cannelure et le tuyau intermédiaire 5 se trouve une presse-étoupe étanchante 11, confectionnée en métal approprié, pour l'herméticité de laquelle on utilise un système de pressage constitué d'une pièce annulaire 12s serrée avec des vis de serrage 13. Cette disposition de l'ensemble permet que la lance se dilate, sans que 1'étanchéité soit affectée» L'admission du fluide de refroidissement dans la lance se fait par un coude 14 soudé au tuyau intérieur 4. Pour réaliser une durabilité maximale de la tête de lance, la base de la chemise intérieure doit avoir une épaisseur au moins double de celle des parois latérales, mais pas plus grande que 13121 5 2011258 de 2,5 fois l'épaisseur de celles-ci. Pour utiliser à efficacité maximale l'oxygène, la tête de lance sera immergée dans le bain de métal fondu jusqu'au niveau des orifices bs et le niveau de la couche de scorie fondue ne va pas dépasser la soudure existant entre la chemise intérieure 1 et le tuyau extérieur 6, ledit niveau restant à au moins 20 mm au-dessous de cette soudure. Pour la suspension de la lance3 celle-ci est munie d'un crochet 15, soudé convenablement au tuyau extérieur 6 du corps de la lance. Avec des lances conformes à celle décrite plus haut, on a réalisé des durées de soufflage de plus de 150 heures. Enfin, avec la lance selon l'invention, on peut intervenir en soufflant de l'oxygène même pendant la phase de fusion de la charge. Etant donné que la lance peut être utilisée en conditions normales, par immersion dans le bain de métal fondu, on obtient les avantages suivants : - l'oxygène est utilisé dans des conditions optimales; - on évite 1'éclaboussement des parois du four avec des gouttes de métal et de scorie et, en conséquence, on réduit l'usure par corrosion du revêtement réfractaire du four; - par la durée prolongée de fonctionnement de la lance, on élimine les opérations fréquentes de remplacement de celle-ci pendant que le four est en marche. 13121 6 2011258 REVENDICATIONS 1.- Tête de lance pour soufflage de l'oxygène directement dans le bain de métal fondu, caractérisée en ce que, pour permettre l'immersion de la tête dans le bain de métal fondu jusqu'à la couche de séparation entre l'acier et la scorie et pour éliminer les tensions internes provoquées par les dilatations à des températures différentes des couches avec lesquelles la tête vient en contact (scorie fondue, métal fondu) ladite tête est constituée d'une chemise extérieure (1) confectionnée par estampage à froid de cuivre électrolytique laminé et forgé, l'épaisseur à la base étant plus grande que celle des parois latérales dans lesquelles est fixée, à l'aide de tuyaux d'admission (2^en cuivre une chemise intérieure (3) confectionnée en acier. 2.- Tête de lance selon' la revendication 1, caractérisée en ce que, pour éviter le contact des soudures avec le bain de métal et pour assurer une direction optimale du fluide de refroidissement, la base de la chemise extérieure (1) présente une conicité convenable vers l'intérieur, l'épaisseur de.la paroi de la base étant le double de l'épaisseur de la paroi latérale, et la hauteur de la paroi latérale étant égale aux épaisseurs usuelles de la couche de" scorie fondue. 3.- Tête de lance.selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les tuyaux (2) pour l'admission de l'oxygène sont assemblés à la chemise extérieure (1) dans des orifices (b) usinés de telle manière que l'extrémité du tuyau finit approximativement à la moitié de l'épaisseur de la chemise (1); l'assemblage est réalisé par brasage ou soudure à l'intérieur. 4.- Tête de lance selon les revendications 13 2 et 3, caractérisée en ce que' la chemise intérieure (3) ..confectionnée en acier est munie à l'extrémité d'un collet (d) dans lequel est pratiqué un canal circulaire (c), la base du; canal étant traversée de nombreux orifices (f)dans lesquels on fixe la partie supérieure des tuyaux (2) pour l'admission de l'oxygène.