Brevet FR2085511A1 — publié le 19711224

La présente invention est relative aux tuyères destinées au soufflage du vent dans les fours à cuve, notamment dans les hauts fourneaux. La température du vent soufflé dans les hauts fourneaux étant de plus en plus élevée, les tuyères doivent être refroidies de plus en plus énergiquement, On connatt des tuyères dont l'enveloppe d'eau comporte intérieurement une jupe ou virole tronconique équidistante des parois intérieure et extérieure de l'enveloppe d'eau. Cette jupe ou virole intérieure ménage ainsi dans l'enveloppe deux espaces annulaires pour la circulation dans un sens de l'eau qui arrive, et la circulation en sens contraire de l'eau qui doit sortir de l'enveloppe.Les tuyères de ce type ne sont pas satisfaisantes: on constate en effet de nombreux tourbillons d'eau au nez de la tuyère et des zones mortes, c'est à dire sans circulation d'eau, un peu partout4 Cette mauvaise circulation de l'eau de refroidissement peut aboutir, lorsqu'il est nécessaire d'évacuer plus de calories, à une perforation des parois et à la mise hors service de la tuyère. On connaît également des tuyères à enveloppe d'eau dont la jupe ou virole intérieure comprend une hélice de mise en rotation de l'eau de refroidissement. Les tuyères de ce type sont bien meilleures que les précédentes ; néanmoins elles présentent en général l'inconvénient de pertes de charge élevées et de difficultés de montage d'une hélice comprenant de nombreuses spires dans les espaces annulaires étroits compris entre la jupe ou virole et les parois intérieure et extérieure de la tuyère. En outre, dans la plupart de ces tuyères, la circulation de l'eau de refroidissement au nez de la tuyère n'est pas contrlée alors que le nez est la partie de la tuyère la plus éprouvée thermiquement. La présente invention a pour but de réaliser une tuyère perfectionnée dans laquelle la circulation de l'eau de refroidissement au nez est parfaitement contrôlée et les pertes de charge du courant d'eau de refroidissement sont réduites, de sorte que le refroidissement est amélioré sur toute la longueur de la tuyère et notamment au nez de celle-ci, qui est soumis à 11 épreuve thermique la plus intense. Cette tuyère à enveloppe d'eau de refroidissement, qui présente au moins une arrivée d'eau, et au moins un départ d'eau avec jupe ou virole médiane entre les parois extérieure et inté -rieure de ltenveloppe dteau, et mise en rotation de l'eau par hélice, est caractérisée en ce quelle comporte des ailettes de support de l'extrémité de la virole au nez de la tuyère et dgorientation du courant d'eau de refroidissement. Suivant une autre caractéristique importante de lFinven- tion, les ailettes directrices au nez de la tuyère sont orientées de telle façon que le courant d'eau change de direction pro gressivement Suivant une autre caractéristique importante de l'invention, les parties antérieures des ailettes directrices du courant d'eau de refroidissement au nez de la tuyère sont inclinées par rapport aux plans radiaux de la tuyère, la tranche avant des parties antérieures desdites ailettes directrices épousant le nez de la tuyère façon que la section de passage de la lame d'eau de l'espace annulaire compris entre la paroi extérieure et la virole médiane jusqu'à l'espace annulaire compris entre ladite virole et la paroi intérieure, soit progressivement diminuée afin d'augmenter la vitesse de circulation, tout en conservant un régime laminaire, cette section de passage augmentant ensuite progressivement. Suivant une autre caractéristique importante de l'invention, la tuyère comporte une hélice unique à spire de 3600,fixée à la culasse au voisinage de l'arrivée d'eau et placée entre la vérole et la paroi extérieure de l'enveloppe d'eau, de sorte que l'eau de refroidissement est entraînée en rotation sur toute la longueur de la tuyère et notamment avant son arrivée au nez de la tuyère. D'autres caractéristiques et avantages apparaltront au cours de la description qui va cuivre, de plusieurs modes de réa lisation donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, en se référant aux dessins annexes, dans lesquels La FIG, 1 est une vue schématique en coupe d'une tuyère suivant l'invention ; La PIG, 2 est une vue schématique à plus petite échelle dune culasse de tuyère comportant différents emplacements d'ar rivée d'eau ;; La PIGo 3 est une vue en coupe suivant III-IIIde la FIG.i montrant des ailettes de guidage à parties antérieures planes au nez de la tuyère La FIG. 4 est une vue schématique partielle analogue à la FIG. i de la tuyère suivant l'invention, après rotation de 900 autour de l'axe de la tuyère La FIG. 5 est une vue schématique en coupe développée d'une hélice fixée sur une culasse à deux arrivées d'eau La SIGo 6 est une vue analogue à la FIG. 5 d'une variante de réalisation comportant une portion d'hélice supplémentaire représentée en trait mixte aux FIGES, i et 4 La SIGo 7 est une vue partielle analogue à celle de la FIG. 3 illustrant des ailettes à parties antérieures incurvées sensiblement suivant une forme de S La SIGo 8 est une vue partielle en perspective des ailettes représentées à la FIG. 3 La FIG. 9 est une autre vue, plus complète, en perspective avec arrachement du dispositif correspondant à icelui de la PIS.3, et La FIG. 10 est une vue analogue à celle de la FIG. 9,mais correspondant aux ailettes en forme de-S de la FIG. 7.- Suivant l'exemple d'exécution représentéaux FIGES. i à 4, l'invention est appliquée à une tuyère de haut fourneau, refroidie par eau. La tuyère est fixée au blindage du haut fourneau par une plaque circulaire 1 ou-culasse d'axe XXO La plaque 1 peut être en acier ou en cuivre. Elle comporte un orifice axial 2-d'entrée de vent, dans lequel s'emboîte 11 extrémité du conduit de vent,non représenté. Elle est également pourvue sur sa périphérie d'au moins un orifice 3 d'arrivée d'eau de refroidissement et d'un orifice 4 de sortie d'eau de refroidissement. Sur cette culasse est fixé le corps tronconique de tuyère, d'axe XX à paroi extérieure 5 et à paroi intérieure 6 raccordées au nez 7 de la tuyère, c'est à dire à l'orifice de soufflage du vent. les parois 5 et 6 ménagent un espace annulaire constituant une enveloppe d'eau de refroidissement. le corps de tuyère est généralement en cuivre, mais peut-être constitué d'une autre matière. La paroi intérieure 6 peut être protégée de manière connue par un revêtement réfractaire 8. Entre les parois 5 et 6 est fixée à la culasse une jupe ou virole métallique 9, de forme tronconique et d'axe XX, à peu près équidistante des parois 5 et 6 et ménageant avec elles des espaces annulaires coaxiaux, l'un 10 extérieur, l'autre 'Ii intérieur.l'orifice d'arrivée d'eau 3 débouche dans l'espace annulaire extérieur 10, tandis que l'orifice de sortie d'eau 4 communique avec l'es- pace annulaire 11. Tans l'espace annulaire extérieur 10 de l'enveloppe d'eau est monté un ruban de tôle 12 enroulé en hélice que l'on appellera plus brièvement hélice. l'hélice 12 est fixée à une extrémité sur la culasse 1 au voisinage de l'orifice d'arrivée d'eau 3. Sa largeur est égale à la largeur de l'espace radial entre la virole 9 et la paroi extérieure So Elle est enroulée autour de la virole 9 en une spire unique d'environ 36QO et est libre à son autre extrémité. La virole 9 est maintenue intérieurement au nez 7 de la tuyère par un-certain nombre d'ailettes directrices 13 réparties régulièrement sur toute la périphérie, la tranche avant de ces ailettes 13 épousant le nez de la tuyère0 La partie antérieure plane 13a en forme de demi-cercle des ailettes 13 est, de façon originale, inclinée par rapport au plan radial de la tuyère passant par 11 intersection de la virole 9 avec le plan de la partie 13a des ailettes, suivant un angle constant ot correspondant à l'orientation de l'écoulement de l'eau au nez de la tuyère. Cet angle ot est déterminé par la vitesse de l'eau que l'on désire obtenir au nez de la tuyère.Plus cet angle o( se rapproche de lt gle droit (900), plus la section de passage diminue, et plus la vitesse de l'eau augmente en ce point. L'eau de refroidissement arrive par l'orifice 3 avec une pression suffisante pour assurer le débit requis, par exemple de 11 ordre de 15 m3 par heure, pour une tuyère dont la diamètre intérieur mesuré au nez, sur le garnissage réfractaire 8, est de l'or- dre de 150 mm. Cette eau est immédiatement infléchie et entraînée en rotation par l'hélice 12 dans l'espace annulaire extérieur 10. En parcourant l'hélice 12, elle acquiert un mouvement de rotation initial autour de l'axe XX combiné avec un mouvement d'avance parallèle à l'axe XX pour former un mouvement hélicoïdal qu'elle conserve sur toute la longueur de la tuyère, même après avoir quitté lthelice de guidage 12. Lorsque le courant d'eau arrive au nez de la tuyère, il pénètre entre les parties 13b des ailettes 13 (FIGS. 8 et 9),ces parties 13b étant courbes et orientées de telle façon que le courant d'eau ne change pas brutalement de direction. Ces parties 13b présentent en outre une surface gauche, pour se raccorder avec la partie plane en demi-cercle 13aO Chaque surface 13b peut être définie comme engendrée par une droite s'appuyant - sur une directrice courbe tracée sur la virole Cette directrice se raz ordre tangentiellement au plan radial, à l'intersection de la virole 9 et de la partie 13a des ailettes, sa concavité étant dirigée de telle sorte que le courant d'eau ne change pas brutalement de direction, La droite génératrice s'appuyant sur cette directrice a une position initiale perpendiculaire à la virole,dans cette représentation particulière, et se couche progressivement pour se raccorder avec la partie 13a. La partie 13c est définie d'une façon identique à la partie 13b, la directrice courbe de cette partie 13c étant dans la forme de réalisation de la FIG. 9 symétrique de la directrice courbe de la partie 13b par rapport au plan radial. Accompagnée dans sa rotation par la partie 13b des ailettes, l'eau pénètre entre les parties 13a desdites ailettes avec une vitesse croissante puis en ressort avec une vitesse décroissante pour être reprise par la partie 13c des ailettes 13. Le conduit dans lequel circule l'eau entre les ailettes 13, la virole 9 et les parois 5, 6 et 7 de la tuyère peut être assimilé à un Venturi. L'eau circule ensuite en rotation dans le méme sens que précédemment, mais avec un avancement helicoidal ayant un pas de sens contraire qui la fait progresser vers l'orifice de sortie 4. La demanderesse a constaté un écoulement de l'eau de refroidissement sensiblement amélioré par rapport aux écoulements des tuyères à jupe ou virole et à hélice complète enroulée d'un bout à l'autre de la tuyère, aussi bien dans l'espace annulaire extérieur 10 que dans ltespace annulaire intérieur 11, et surtout au nez 7 de la tuyère. En effet, puisqu'il n'y a pas de guidage sur une grande partie de la longueur de la tuyère dans l'espace externe 10 et sur la totalité de l'espace annulaire intérieur 11, la perte de charge calculée par la différence des pressions mesurées à l'orifice d'entrée d'eau 3 et à l'orifice de sortie d'eau 4 est réduite à une valeur de l'ordre de 0.3 bar alors qu' elle était de l'ordre de i bar pour une tuyère de type corbin précité à hélice sur toute la longueur de la tuyère. De plus, la présence des ailettes directrices 13 convenablement orientées dans le sens de l'écoulement au nez de la tuyère 7, contribue à réduire la perte de charge et à- acc6l'rer la vitesse, alors qu'unie hélice développée jusqu'au nez de-la tuyère causerait un accroissement des pertes de charge par frottement de l'eau sur les parois latérales de l'hélice La sensible réduction de pertes de charge obtenue gråce à l'hélice courte 12 suivant l'invention peut être attribuée au fait que la surface de contact de l'hélice 12 et de l'eau est sensiblement réduite par rapport à celle d'une hélice ou de deux hélice s parcourant toute la longueur de la tuyère dans les espaces 10 et 11.Il en résulte en effet une réduction des frottements sur cette surface de contact, La conséquence de la réduction des pertes de charge est que l'énergie nécessaire pour actionner la pompe à eau est sensiblement réduite, d'où une économie importante. En outre, le montage de l'hélice courte à une seule spire de 3600 suivant l'invention est beaucoup plus facile que celui d'une ou de deux hélices de grande longueur s'enroulant depuis la culasse jusqu'au nez de la tuyère, compte tenu de la difficulté d'avoir une étanchéité excellente entre l'hélice, la paroi 5 et la virole 9e Enfin et surtout, grace à cet écoulement parfaitement régulier de l'eau de refroidissement dans les espaces 10 et 11 et gracie aux ailettes 13, il n'y. a aucune zone morte ni aucun tourbillon notamment au voisinage du nez 7. Au contraire au nez 7 est réalisée une circulation continue en lame mince à grande vitesse contre la paroi interne du nez 7.Il en résulte un parfait refroidissement de la tuyère et un accroissement de sa durée de vie Dans l'exemple ci-dessus, on a supposé qu'il nty a qu'un seul orifice d'arrivée dteau. Toutefois, une tuyère peut posséder deux orifices d'arrivée d'eau de plus petit diamètre que l'orifice 3 unique.Cette variante est représentée schématiquement à la FIG. 2 où lion voit en I les emplacements des orifices uniques 3 et 4 d'arrivée et de sortie d'veau correspondant au premier cas, en II des orifices d'arrivée d'eau orientés à 900 l'un de l'autre, et en TII le cas de deux orifices d'arrivée dteau espacés de 1800 l'un de l'autre, l'orifice de sortie d'eau par 4 restant le même dans les trois cas. Comme on le voit à la FIG. 5 qui développe schématiquement la culasse la munie de deux orifices dsarivée d'eau 14 espacés de OQ, le début dlune hélice 12 fixée à la culasse la et la fin de cette hélice qui est espacée d'un pas p par rapport au début, l'eau est amenée dans l'enveloppe de refroidissement par deux cou rants fl et f2 qui se mélangent sans se contrarier pour donner un courant unique. Etant donné que le début de l'hélice 12 est encore suffisamment proche du deuxième orifice d'arrivée 14, il contribue encore efficacement au guidage du deuxième courant d'eau suivant f2. Par contre, dans le troisième cas où il y a deux orifices 15 d'arrivée d'eau espacés de 1800, l'hélice 12 dans la zone où débouche le deuxième orifice 15 est trop éloignée de cet orifice pour guider convenablement le deuxième courant d'eau suivant la flèche f2. Elle ne peut guider convenablement que le premier écoulement d'eau suivant la flèche f1. Dans ce cas, il est avantageux de prévoir un déflecteur 16 de guidage du deuxième courant suivant f2. le déflecteur 16 est constitué par une portion d'hélice de faible longueur, par exemple 1/8 de spire, représentée en trait mixte aux Fig. 1 et 4, permettant aux courants fi et f2 de confluer sans se contrarier. Enfin, suivant la variante des Fiv.7 et 10, au lieu d'ailettes 13 avec une partie antérieure 13a semi-circulaire plane,le nez 7 de la tuyère comporte des ailettes 17 avec une partie -anté- rieure 17a semi-circulaire incurvée suintant une forme en 3. les parties -1?b et 17c desdites ailettes 17 sont alors définies comme les parties 13b et 13c des ailettes 13, la génératrice de ces surfaces 1?b et 17c n'étant plus une droite mais une courbe qui se raccorde à la partie 17a des ailettes 17. Cette variante permet de réduire encore les pertes de charge. Il est bien entendu que l'on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, aménager d'autres variantes et perfectionnements de détail, de m8me qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. C'est ainsi, par exemple, que le sens de circulation de l'eau n'a pas d'importance. REVENICAT IONS 1. Tuyère à enveloppe d'eau de refroidissement comportant au moins une arrivée d'eau et au moins un départ d'eau, une jupe ou virole médiane entre les parois extérieure et intérieure de l'enveloppe d'eau et une hélice de mise en rotation de lteau,ca- ractérisée en ce qu'elle comporte des ailettes de support de ltex- trémité de la virole au nez de la tuyère et d'orientation du courant d'eau de refroidissementO 2 Tuyère suivant la revendication i caractérisée en ce que les ailettes comportent une partie antérieure plane dont la tranche avant épouse le nez de la tuyère, laquelle partie est inclinée par rapport au plan radial de la tuyère passant par l'inter- section de la jupe avec ladite partie plane, de façon que la section de passage de la lame d'eau de ltespace annulaire compris entre la paroi extérieure et la virole médiane jusqu'à l'espace annulaire compris entre ladite virole et la paroi intérieure soit progressivement diminuée puis augmentée, afin d'augmenter puis diminuer la vitesse de circulation de l'eau, tout en conservant un régime laminaire. 3 Tuyère suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la partie des ailettes sur laquelle arrive l'eau est définie comme une surface engendrée par une droite s1 appuyant sur une directrice courbe, laquelle est tracée sur la surface de la virole et se raccorde au point d'intersection de celle-ci avec la partie antérieure plane de l'ailette, sa concavité étant dirigée de telle sorte que les filets d'eau changent progressivement de direction, la droite génératrice s'appuyant sur cette directrice ayant une position initiale perpendiculaire à la virole et se couchant progressivement pour se raccorder à la partie antérieure plane de l'ailette, tandis que la partie où sort l'eau est définie de la méme manière que la partie sur laquelle arrive l'eau. 40 Tuyère suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la partie antérieure des ailettes est incurvée suivant une forme de So 50 Tuyère suivant la revendication 4 caractérisée en ce que la partie des ailettes sur laquelle arrive l'eau et la partie sur laquelle sort l'eau sont définies comme des surfaces engendrées chacune par une courbe s'appuyant sur une directrice courbe,la que île est tracée sur la surface de la virole et se raccorde au point d'intersection de la virole avec la partie antérieure des ailettes, sa concavité étant dirigée de telle sorte que les filets d'eau changent de direction progressivement. 6 Tuyère suivant la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une hélice à spire unique de 3600 au maximum fixée à la culasse, au voisinage de arrivée d'eau, et placée entre la virole et la paroi extérieure de la tuyère. 7. Tuyère suivant l1une quelconque des revendications 1 et 6, caractérisée en ce que dans le cas de deux orifices arrivée d'eau elle comporte en plus de l'hélice un déflecteur fixé sur la culasse et ayant la forme d'une portion d'hélice.