Brevet FR2066970A1 — publié le 19710813

La présente invention est relative aux tuyères de soufflage d'oxygène industriellement pur ou d un gaz riche en oxygène, utilisées notamment dans le fond des convertisseurs d'aciérie. Initialement, les tuyères de soufflage d'oxygène par le fond du convertisseur étaient co@stituées de simples tubes en cuivre ou en alliages de cuivre, logés dans le réfractaire constituant le fond des convertisseurs. En raison des températures élevées auxquelles ces tuyères sont exposées, il s'est avéré nécessaire d'assurer leur refroidissement et on a imaginé et réalisé divers systèmes de refroidissement, notamment par circulation de fluide réfrigérant. Un procédé particulier de refroidissement desdites tuyères consiste à munir ledit tube de cuivre d'une gaine, métallique ou non, qui l'isole du réfractaire environnant. tans la suite, on a ménagé entre le tube de cuivre et s gaine un espace annulaire dans lequel on insuffle un fluide à dissociation endothermique, dont la dissociation a pour effet de protéger le réfractaire. Enfin, or a proposé d'utiliser, pour le soufflage de l'oxygène industriellement pur, des tuyères composées d'un tube central en acier inoxydable entouré d'une gaine en un matériau métallique, pouvant être par exemple du cuivre ou de l'acier au carbone. Toutes ces améliorations ont été motivées-par deux raisons principales 1) harmoniser l'usure du fond du convertisseur et la consommation des tuyères, ae façon à éviter soit que le fond du convertis seur soit hérissé de tubes métalliques non consommes, soit que les tuyères ne disparaissent trop rapidement de leurs logements en laissant des trous dans le réfractaire, trous qui seraient rapidement comblés par du métal solidifié ou par des débris de réfractaires. 2) tacher d'éviter la formation, au nez des tuyères, d'amas de métal et/ou de scorie solidifiés qui peuvent obturer les orifi ces de soufflage et perturber ou même empêcher le soufflage au gaz d'affinage. Pour autant que le demandeur en soit informé, les améliorations proposées jusqu a présent n'ont pas encore permis d'éliminer les deux inconvénients majeurs que sont les discordances entre l'usure du fond et la consomr-ation des tuyères d'une part et la formation des amas de métal etjou de scorie d'autre part. Au cours des recherches qu'il a effectuées, le demandeur a été amené à la conclusion suivante : il semble que les amas de métal et/ou de scorie solidifiés au nez des tuyères soient dûs à la présence d'une zone relativement froide, provoquée à cet endroit à la fois par la dissociation endothermique du fluide insufflé avec l'oxygène, et par l'évacuation trop rapide, par le tube métallique central, des calories qui lui sont fournies par le bain de métal en cours d'affinage. En outre, en raison de llaffi- nage local de la fonte au contact de ltoxygènet le point de fusion de l'acier formé au nez des tuyères dépasse momentanément la température du bain. Si la conduetibilité du tube intérieur est élevée, le métal peut accrocher et l'effet peut devenir cumulatif. Par conséquent, la tuyère de.soufflage d'oxygène qui fait l'objet ce la présente invention et qui est constituée de deux tubes concentriques par lessuels on insuffle un jet central d'oxygène ou de gaz riche en oxygène, entoure-dBun jet annulaire d'un second gaz, par exemple d'un fluide à dissociation endother-- mique tel qu'un hydrocarbure, est essentiellement caractérisée en ce que le tube intérieur et/ou extérieur est constitué d'au moins un métal ou alliage dont le point de fusion est suffisamment élevé pour ne pas fondre aux températures auxquelles il- est exposé, dont la conductibilité calorifique est telle qu'il assure une transmission appropriée de la chaleur et qui présente une faible tendance à l'oxydation à haute température. Les matériaux utilisés jusqu'à présent pour la fabrication dudit tube intérieur sont le cuivre et l'acier inoxydable, qui présentent cependant tous deux des inconvénients. En raison de sa conductibilité calorifique très élevée, le cuivre peut donner lieu à la formation d'amas de métal et/ou de scorie au nez des tuyères. Par ailleurs acier inoxydable, dont la conductibilité calorifique est limitée présente certains risques de brt- lure au contact de l'oxygène à haute température. En vue de pallier ces inconvénients tout en respectant les conditions optimales d'utilisation des tuyères, le demandeur a imagnié d'utiliser un tube intérieur constitué d'un métal pourvu d'un revêtement protecteur, jouant essentiellement un rôle de barrière thermique contre la transmission des calories par ra diation. Un mode particulier de réalisation de l'invention consiste à pourvoir la surface extérieure du tube intérieur d'un revêtement protecteur constitué dlun ou de plusieurs oxydes réfractaires, seul ou en mélange. A titre d'exemple, on peut utiliser, à cet effet, les oxydes d'aluminium, de magnésium, de titane, de thorhum, de zirconium. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le tube intérieur peut être muni d'un revête- ment protecteur constitué d'un cermet, c'est-à-dire, d'un matériau composé d'un mélange de métal et de réfractaire obtenu par la métallurgie des poudres. Ce recouvrement réfractaire peut avantageusement être déposé au moyen dwune torche à plasma, son épaisseur est de préférence comprise entre 0,1 et 2 mm. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le tube intérieur de la tuyère est constitué par un tube de cuivre recouvert extérieurement dudit revêtement réfrac taire la présence de ce revêtement réfractaire permet de freiner la transmission de la chaleur, et par conséquent de diminuer le refroidissement du nez des tuyères, ce qui réduit la formation d'amas de métal et/ou de scorie. Un autre mode de réalisation de la présente invention consiste à utiliser, pour la fabrication du tube intérieur des tuyères, un métal ou un alliage réfractaire, tel que du cobalt, du nickel ou leurs alliages. in effet, le demandeur a constaté que des alliages de cette catégorie présentent une bonne résistance à l'a- brasion ainsi qu'à l'oxydation à haute température. Par ailleurs, leur conductibilité calorifique n'est pas trop élevée, de sorte qu'ils n'évacuent pas trop rapidement les calories qui sont fournies par le bain métallique et qu'ils ne donnent nas lieu à la formation d'amas de métal et/ou de scories au nez des tuyères. En particulier, il a été trouvé spécialement avantageux de réaliser ledit tube intérieur en cobalt ou en un alliage de cobalt, tel que par exemple l'alliage connu sous le nom commercial Ui;IC0 50 et co-ntenant 50 % de cobalt, 30 fi de chrome, 0,1 % de carbone, le reste étant du fer. Un autre métal particulièrement avantageux pour la fabrication du tube intérieur de tuyères concentriques est le nickel ou un alliage à base de nickel, tel que par exemple un alliage connu sous le nom commercial générique de "Nimonic" A titre exemple, on peut citer l'alliage "Nirnonic 75" qui contient 20 ffi de chrome, 0,4 % de titane, 0,01 % de carbone, moins de 5 % de fer, moins de 1 % de silicium, moins de 1 fo de manganèse, le' reste étant du nickel. Un autre avantage des tubes en cobalt, en nickel ou en alliages de cobalt ou de nickel est que leur tenue à haute température est excellente, ce qui leur assure une durée de vie plus longue que celle des tubes en d'autres métaux, notamment en acier inoxydable. Encore un autre mode de réalisation de l'in- vention consiste à utiliser pour les tubes intérieurs des tuyères un alliage à base de fer présentant un point de fusion suffisamment élevé et une conductibilité calorifique appropriée. On peut avantageusement utiliser un acier inoxydable austénitique, présentant une teneur en éléments d' al- liage appropriée pour modifier la conductibilité calorifique de l'acier de base jusqu'à la valeur désiré. Parmi ces éléments d'alliage, on peut notamment citer le cuivre, dont la teneur doit hêtre adaptée à la valeur de la conductibilité calorifique qur l'on désire obtenir. Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à utiliser un tube intérieur composite, constitué d'un tube de base en acier, de préférence en acier inoxydable, plaqué d'un autre métal, par exemple du cuivre. Le rôle essentiel du métal de base est de procurer une résistance mécanique suffisante à haute température tandis que le métal de placage assure l'évacuation souhaitée des calories0 Cette disposition présente en outre l'avan- tage de permettre de faire varier aisément la conductibilité calorifique du tube composite en modifiant les épaisseurs relatives du métal de base et du métal de placage. Enfin, il faut noter que le placage peut être effectué sur la paroi intérieure et/ou sur la paroi extérieure du tube métallique de base. En particulier, les deux tubes peuvent être solidarisés par la technique du placage par explosion. D'autre part, le demandeur a constaté qu'il y avait des avantages à utiliser pour le tube extérieur de la tuyère des matériaux ayant une soudabilité et une conductibilité calorifique peu élevées. Un matériau convenant spécialement à la fabrication de ce tube extérieur est l'acier inoxydable, en raison de sa bonne résistance à l'oxydation à chaud, de sa conductibilité calo- rifique limitée et-de sa faible soudabilité. A titre d'exemple, on peut citer les aciers inoxydables austénitiques en général, et plus particulièrement les aciers du type 18/8 (18 % chrome, 8 @ nickel) dont la conductibilité calorifique varie de 0,035 cal/cm, sec, C à 20 C à 0,053 cal/cm, sec, OC à 800 C, alors que celle des aciers au carbone varie ae 0,110 cal/cm, sec, OC à 2000 à ,07C cal/cm, sec, OC à 800 C, et cellé des aciers à bas carbone de 0,150 cal/cm, sec, C à 20 C à 0,073 cal/cm, sec, C à 800 C. En outre, acier inoxydable présente un coefficient de dilatation thermique diffèrent ae celui des matériaux constituant les amas. Il en résulte des variations de dilatation lors des variations de tempéràture, ce qui provoque des fissura- tions qui facilitent le décrochage aesdits amas et contrarient la transmission de la chaleur. Ces deux phenomènes favorisent finalement la refusion desdits amas. Par ailleurs, en raison du- refroidissement assure par le gaz insufflé dans l'espace annulaire ménagé entre les deux tubes 'concentriques, le tube extérieur n'est pas en contact direct avec l'oxygène et il n'est donc pas expose à des températures aussi élevées que le tube intérieur, et de ce fait, le risque de brûlure n'existe pratiquemment pas. Néanmoins, on peut avantageusement munir ce tube extérieur d'un revêtement protecteur, par exemple d'un revêtement réfractaire ou d'un cermet Enfin, le demandeur a constaté que, de manière inattendue, l'utilisation de tuyères de soufflage conformes à l'invent ion assure non seulement une usure égale du réfractaire du fond du convertisseur et des tuyères elles-mêmes, mais aussi diminue cette usure et prolonge la vie des fonds de convertisseurs. R E V E N D I C A T I O N S 10 Tuyère de soufflage pour fond de convertisseur d'aciérie, constituée de deux tubes concentriques par lesquels on insuffle un jet central d'oxygène ou de gaz riche en oxygène entouré d'un jet annulaire d'un second gaz, par exemple un fluide à dissociation endothermique tel qu'un hydrocarbure, c a r a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur et/ou extérieur est constitué d'au moins un métal ou alliage dont le point de fusion est suffisamment élevé pour ne pa6 fondre aux températures auxquelles il est exposé, dont la conductibilité calorifique est telle qu'il assure une transmission appropriée de la chaleur et qui présente une faible tendance à l'oxydation à haute température. 2c Tuyère de soufflage pour fond de convertisseur d--'a- ciérie, tel que défini dans la revendication 1, constituée de deux tubes concentriques par lesquela on insuffle un jet central d'oxygène ou de gaz riche en oxygène entouré d'un je@ annulaire d'un se cond gaz, par exemple un fluide à dissociation endothermique tel qu'un hydrocarbure, c a r a c.t é r i s é e en ce que seul le tube intérieur est constitué d'au moins un métal ou alliage dont le point de fusion est suffisamment élevé pour ne- pas fondre aux températures auxquelles il est exposé, dont la conductib-ilité calorifique est telle qu'il il assure une transmission appropriée de la chaleur et qui présente. une faible tendance à l'oxydation à haute tem pérature. 30 Tuyère de soufflage, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1,2, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit tube intérieur est constitué d'un métal pourvu d'un revêtement protecteur, ce revêtement étant de préférence constitué d!un matériau capable de freiner la transmission de chaleur. 4 Tuyère de soufflage, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 ,2,3, prise isolément c a r a c t é r is é e en ce que la seule face extérieure du tube intérieur est pourvue dudit revêtement protecteur. 50 Tuyère de soufflage conformément -â l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4, prise isolément c a r a- c t é r i s é e e ce que ledit revêtement protecteur est constitué par un matériau réfractaire. 6 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit matériau réfractaire consiste en un ou plusieurs oxydes réfractaires, seul ou en mélangez 70 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5,6, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit matériau protecteur est un cermet. 8 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou des revendications 1,2,3,4,5,6,7, prise isolément c a r-a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur est un tube de cuivre, pourvu d'un revêtement protecteur. 90 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5,6,7,8, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit revêtement protecteur est déposé à lai- de d'une torche à plasma. 100 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5,6,7,8,9 prise isolément c a r a c t é r i s é e- en ce que le revêtement protecteur présente une passeur de 0,1 à 2 mm. 110 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, prise isolément c a r a c t é r i- s é e en @e que le tube intérieur est constitué d'un métal ou d'un alliage réfractaire. 120 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2 et 11, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit métal réfractaire est du cobalt ou un alliage à base de cobalt. 130 tuyèrede soufflage conformément à lune ou l'autre des revendications 1,2,11 et 12, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur de la tuyère est constitué d'un alliage de cobalt contenant environ 50 % de cobalt, 30 % de chrome, 0,1 ?t de carbone, le reste étant du fer. 140 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2 et 11, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit métal réfractaire est du nickel ou un alliage à base de nickel. 150 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,11 et 14, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur de la tuyère est constitué d'un alliage de nickel contenant environ 20 É de chrome, 0,4 ffi de titane, 0,01 ss de carbone, moins de 5 7 de fer, moins de 1 % de si- licium, moins de 1 r de manganèse, le reste étant du nickel. 160 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou des revendications 1 et 2, prise isolément c r a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur est constitué d'un métal à base ferreuse, et contenant des éléments d'alliage en proportions déterminées, lui assurant un point de fusion et une conductibilité calorifioue appropriés. 170 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2 et 16, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit métal à base ferreuse est un acier inoxydable contenant une quantité de cuivre qui lui assure une conductibilité calorifique appropriée. 180 Tuyère de soufflage conformément à 1 ou 1 'autre des revendications 1 et 2, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que le tube intérieur est un tube composite, constitué d'un métal de base portant un métal de revêtement appliqué par placage. 190 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2 et 18, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit métal de base est l'acier inoxydable et en ce que ledit métal de revêtemellt est le cuivre. 200 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,18 et 19, prise isolément c a r a c t é r i- s é e en ce que le métal de placage est déposé sur la face exté- rieure et/ou intérieure du tube intérieur. 21 0 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,18,19,20, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que le métal de placage est appliqué par explosion. 220 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que le tube extérieur est constitué d'un métal présentant une conductibilité calorifique telle que les calories fournies par le bain métallique ne soient pas évacuées trop raplidement et une soudabilité suffisamment faible pour que d'éventuels amas de métal n'adhèrent pas audit tube extérieur. 230 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1 ,2,3,4,5,6,7,,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22, prise isolément, c a r a c t é r i s é e en ce que ledit tube extérieur est en acier inoxydable. 240 Tuyère de soufflage conformément à l'une ou l'autre des revendications 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22,23, prise isolément c a r a c t é r i s é e en ce que ledit tube extérieur est pourvu intérieurement d'un revêtement protecteur, de préférence d'un revêtement réfractaire ou d'un cermet.