Brevet FR2088417A1 — publié le 19720107

La présente invention concerne une tuyère de soufflage de hauts fourneaux comprenant une enveloppe double entourant une enceinte torique destinée à être parcourue par le fluide refroiaisseur. Dans les hauts fourneaux, la partie des tuyères à vent située en aval par rapport au sens de circulation du vent et pénétrant dans le creuset du fourneau est toujours exposée aux projections de fonte et de laitier. Ces projections peuvent provoquer sur la paroi de la tuyère une élévation locale de température dépassant le point de fusion de la matière employée pour la confection de la tuyère et conduisant donc à faire un trou dans cette paroi. De nombreux efforts ont déjà e été faits en vue de protéger les tuyères à vent contre ces détériorations. Cependant on n1a pas trouvé de moyens permettant d'aboutir. Ainsi, la demande de brevet d'invention allemand nO 1 261 526 propose d'agencer l'orifice de sortie d'un tuyau d'entrée d'eau de refroidissement, qui pénètre dans l'espace torique de la tuyère, à la manière d'une busette à fente dont l'une des parois est constituée par la paroi extérieure dudit espace torique pour donner à l'eau une direction d'écoulement déterminée. De plus, le brevet d'invention allemand nO 949 747 a trait à une tuyère à vent constituée d'une partie en matériaux réfractaires située en amont par rapport au sens de circulation du vent et formant cone creux, cette partie étant raccordée sans gradin à une jaquette d'eau dont une portion pénètre dans le creuset du fourneau et dans laquelle un tuyau d'entrée d'eau pénètre jusqu'a l'extrémité aval de la tuyère. L'invention a pour but de réaliser une tuyère de soufflage de hauts fourneaux pour laquelle les risques de déeradation dus aux éclaboussures de fonte et de laitier sont fortement réduits par rapport aux tuyères de soufflage ordinaires et dont la durée de service est ainsi prolongée. Ce résultat est atteint, conformément à l'invention, par le fait que le diamètre extérieur de la partie aval devant pénétrer dans le creuset du haut fourneau est considérablement inférieur à celui de la partie amont devant etre insérée dans la maçonnerie du fourneau. De préférence, le diamètre extérieur de la partie aval est inférieur d'au moins 25 % à celui de la partie amont et le raccordement de la première à la seconde est étagé.- Le faible diamètre extérieur de la partie aval conduit à un rétrécissement correspondant de i'enceinte torique de cette même partie, ce qui permet d'obtenir dans cette partie la plus exposée de la tuyère une vitesse d'écoulement particulièrement élevée de l'eau de refroidissement et, partant, un grand coefficient de transmission de chaleur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'obtention d'une circulation déterminée de l'eau de refroidissement est favorisée par le fait que l'en- ceinte torique rétrécie de la partie aval présente des ouvertures espacées d'admission et de départ d'eau. L'invention prévoit différentes possibilités de disposition de ces ouvertures et, le cas échéant, de pièces directrices. Une disposition très simple consiste en ce que ces ouvertures sont diamétralement opposées et s'étendent chacune sur une zone angulaire inférieure à 900 et, de préférence, égale ou inférieure à 450 Pour améliorer la circulation de l'eau on a intérêt à diviser ltouverture d'admission et/ou ltou- verture de départ par une nervure longidudinale prévue sur toute la longueur de l'enceinte torique aval. Suivant une autre disposition très simple, lesdites ouvertures sont placées côte à côte et séparées par une nervure de faible largeur, prévue sur toute la longueur de l'enceinte torique aval, ces ouvertures s'étendant chacune sur une zone angulaire inférieure à 900 et, de préférence, égale u inférieure a 450. Suivant une autre caractéristique de l'invention, lesdites ouvertures sont en principe réparties sur les deux moitiés de la circonférence de l'enceinte torique aval et sont séparées de part et d'autre par des nervures longitudinales de petite largeur comportant chacune un conduit de repassage à l'extrémité aval ae l'enceinte torique. Suivant une autre caractéristique avantageuse ae l'invention, l'enceinte torique aval est divisée par un corps directeur annulaire, qui s'étend usqu1a proxi- mité immédiate de son extrémité aval, en un espace torique intérieur et un espace torique extérieur dont l'un est muni d'orifices d'admission d'eau et dont l'autre est muni d'orifices de départ d'eau, tous ces orifices étant uniformément répartis sur la circcnférence desdits espaces toriques. Suivant une autre caractéristique de l'invention, une disposition très simple consiste en ce qu'au moins un tuyau d'amenée ou fluide refroidisseur pénètre dans l'enceinte torique aval et s1 étend jusqu'au voisinage de l'extrémité avant de la tuyère, ce tuyau étant avantageuse- ment coudé en forme d'hélice et son orifice de sortie étant orienté tangentiellement ou ayant au moins une composante tangentielle. Selon l'invention, il y a intérêt à séparer une enceinte de forme spéciale de i'enceinte torique de la partie amont. Une enceinte est raccordée à un tuyau d'arrivée d'eau de refroidissement et communique avec l'en- ceinte torique aval par 11 ouverture d'aumission candi que l'autre enceinte est raccordée a un tuyau de retour d'eau et communique avec l'enceinte torique aval par les ouvertures de départ. Pour des raisons de fabrication il y a avantage à donner une forme cylindrique au moins à la chemise intérieure de la partie aval. Cette forme favorise d'ailleurs l'écoulement du vent chaud. Sien entendu, ladite chemise peut autre agencée à la manière d'une tuyère de Laval ou avoir toute autre forme susceptible d'améliorer l'écoulement du vent, par exemple. Afin de mieux faire comprendre ltobået de la présente invention on va en décrire maintenant, à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif de sa portée, plusieurs modes de mise en oeuvre choisis comme exemples et représentés par le dessin ci-annexé, dans lequel: La figure 1 montre une tuyère de soufflage conforme à l'invention, en une coupe suivant la ligne I - I de la figure 2; La figure 2 est une coupe suivant la ligne II - II de la figure 1; La figure 3 montre une autre tuyère suivant l'invention, en une coupe analogue à celle de la figure 2; La figure 4 est une demi-coupe suivant la ligne IV - IV de la figure 3 et de la figure 6; La figure 5 montre une autre tuyère conforme à l'invention, en une coupe suivant la ligne V - V de la figure 6; ; La figure 6 est une coupe suivant la ligne VI - VI de la figure 5; La figure 7 est une coupe longitudinale d'une autre tuyère conforme à l'invention; La figure 8 est une coupe suivant la ligne VIII - VIII de la figure 7; La figure 9 est une demi-coupe suivant la ligne IX - IX de la figure 7; La figure 10 est une coupe suivant la ligne X - X de la figure 11; La figure 11 est une coupe suivant la ligne XI - XI de la figure 10; La figure 12 est une coupe longitudinale d'une autre tuyère selon l'invention. Les tuyères de soufflage représentées sont en cuivre soudé. Elles comprennent une tympe annulaire 1 munie d'ouvertures 2, 3 de branchement de tuyaux d'arrivée et de retour d'eau de refroidissement, sur laquelle est soudée une partie amont 6 constituée par une chemise légèrement conique 4 et une chemise légèrement conique 5, entre lesquelles se trouve une enceinte torique 7 de grande largeur et auxquelles est raccordée une partie aval 8. La partie amont 6 est totalement identique à la partie correspondante d'une tuyère de soufflage ordinaire. Mais elle ne s'étend en principe que jusqu'au milieu de la tuyère. ija chemise intérieure 9 de la partie aval 8 est cylindrique. Elle passe sansressaut brusque à la chemise intérieure 4 de la partie amont 6. La chemise extérieure 10 de la partie aval 8 étant d'un diamètre nettement inférieur à celui de la chemise extérieure 5 de la partie amont 6, un gradin existe sur les bords opposés des parties 6 et 8. A cet endroit, la chemise extérieure 5 est coudée vers l'intérieur pour former une face annulaire 12. Entre la chemise intérieure 9 et la chemise extérieure 16 de la partie aval 8 est comprise une enceinte torique 11 de hauteur relativement faible. Après montage sur place, la partie amont 6 se trouve logée dans la maçonnerie du haut fourneau de telle manière que la face 12 affleure la face intérieure de cette maçonnerie. Riais la partie aval 8 pénètre dans le creuset du fourneau et est exposée directement à la chaleur. Le rapport de la longueur de la partie amont 6 à la longueur de la partie aval 8 se situe en général, dans les modes ae mise en oeuvre représentés, a environ 1/i. Mais il peut varier entre 1/2 et 2/1. Les différents modes de mise en oeuvre représentés se différencient principalement par la disposition des ouvertures d'admission et de départ d'eau de l'en ceinte torique aval 11 et, éventuellement, par la disposition de pièces directrices dans cette meme enceinte. Dans le mode de mise en oeuvre représenté par les figures 1 et 2, la hauteur de l'enceinte torique aval i1 est inférieure à l'épaisseur des chemises 9, 10 et se situe entre 5 et 10 mm, par exemple. Dans la fente torique située à l'endroit du raccordement de la partie amont 6 à la partie aval 8 sont aisposés deux inserts 13, en forme d'arc de cercle, entre lesquels sont prévues deux fentes 14, 15 diamétralement opposées. La fente inférieure 14 constitue l'ouverture d'admission d'eau et la fente supérieure 15, l'ou- verture de départ d'eau. Elles s'étendent, dans l'enceinte torique 11, sur une zone angulaire de 450. Les inserts 13 sont donc suffisamment longs pour assurer une parfaite circulation d'eau. L'eau de refroidissement venant du tuyau d'arrivée traverse l'ouverture 2 de la tympe 1, passe dans l'enceinte torique 7 de la partie amont 6, remplit cette enceinte, traverse la fente 14 et entre dans l'enceinte torique aval 11, où elle est divisée en deux courants dont l'un monte vers la fente 15 par la moitié droite de l'enceinte 11, l'autre montant par la moitié gauche. L'eau de refroidissement coule dans l'enceinte 11 à faible section de passage à une vitesse relativement élevée, plusieurs mètres par seconde. Il en résulte une parfaite transmission de chaleur et une bonne utilisation de l'eau. La fente 15 débouche dans une chambre 7a séparée de l'enceinte 7 par une tôle 16. De cette chambre 7a, l'eau pénètre dans un tuyau 17 et ensuite dans l'ou- verture de départ 3 branchée sur le tuyau de retour. Le mode de mise en oeuvre représenté par les figures 3 et 4 correspond largement à celui qui vient d'être décrit. Toutefois, pour ce dernier mode, aucune pièce directrice n'est prévue dans l'enceinte torique aval 11 alors qu'une nervure de distribution 18 est placée aans cette enceinte sur toute sa longueur suivant les figures 3 et 4. Cette nervure 18 divise une ouverture d'atmission à'eau 14a en son milieu. Elle sert a diviser sûrement l'eau en deux courants égaux et à accélérer la montée et l'évacuation des bulles de vapeur. Il va sans dire qu'il est possible de diviser la fente de départ 15 au moyen a'une nervure 18. La circulation d'eau n'est pas sensiblement modifiée par les nervures 18. ans le mode de mise en oeuvre représenté par les figures 5 et 6, une fente a'admission d'eau 14' est située à côté d'une fente de départ 15' et est séparée de celle-ci, pour éviter tout dérangement dans l'écoulement de l'eau, par une nervure 1 & placée sensiblement au sommet de la partie aval b et disposée comme la nervure 16 du mode de mise en oeuvre représenté par les figures 3 et 4, sur toute la longueur de l'enceinte torique aval 11. Les fentes 14' et 15' s'étendent chacune sur une zone angulaire d'environ 450. L'enceinte orque aval Il communique avec l'enceinte torique amont 7 par la fente d'admission d'eau 14' et, par la fente de départ 15', avec une chambre 7a', d'où un tuyau 17' aboutit à l'ouverture de sortie 3. Dans ce mode de mise en oeuvre, le courant d'eau de refroidissement parcourant l'enceinte torique aval 11 coule de la fente d'admission 14' dans la fente de départ 15' à la manière d'une spire. Dans le mode de mise en oeuvre représenté par les figures 7, 8 et 9, l'enceinte torique aval il est divisée par deux nervures latérales diamétralement opposées 19 en deux demi-enceintes îîa et 11b communiquant par des conduits de repassage 20, car les nervures 19 ne s'étendent pas entièrenent jusqu'à l'extrémité aval de la tuyère. Les ouvertures d'admission et de départ d'eau sont constituées d'un certain nombre de perçages 21, 22 pratiqués dans le bord de la chemise extérieure 10 pénétrant dans la partie amont 6 jusqu'a un faux-fond 23 rapporté entre la chemise intérieure 4 et la chemise extérieure 5. Entre le faux-fond 23 et la paroi frontale 12 est prévu un espace annulaire plat divisé en deux chambres annulaires 7b et 7c par des cloisons disposées dans le plan des nervures 19. L'eau de refroidissement arrivant à la chambre 7b par un tuyau 25 traverse les perçages 21, pénètre dans la demi-enceinte inférieure lia, parcourt celle-ci vers l'aval, entre dans les conduits de repassage 20 et passe dans la demi-enceinte 11b, où elle retourne vers l'amont. Ensuite, elle parcourt les perçages 22 et pénètre dans la chambre 7c, qui communique par une ouverture 26 avec l'en- ceinte torique amont 7 et forme avec celle-ci un tout entier. Elle sort de l'enceinte 7 par l'ouverture 3 et passe dans le tuyau de retour. Dans le mode de mise en oeuvre représenté par les figures 10 et 11, l'enceinte torique aval 11 est divisée par un corps directeur annulaire 27 en un espace torique intérieur 11c et un espace torique extérieur 11d. son extrémité aval, le corps directeur 27 est adapté à la surface intérieure de la jaquette d'eau de manière à former une fente 28, de faible largeur, ayant en principe une section en forme d'arc de cercle et reliant les espaces toriques îîc et îîd. Il y a intérêt à ce que le corps directeur 27 soit spécialement conçu pour diminuer la section d'écoulement au droit de l'extrémité aval de la tuyère. A cet effet, le corps directeur 27 et la chemise extérieure 10 sont légèrement conique, la chemise intérieure 9 étant cylindrique. Le corps directeur 27 est d'une épaisseur suffisante pour supporter les efforts auxquels il sera soumis. Les ouvertures d'admission d'eau sont formées de perçages 21' répartis sur le bord de la chemise extérieure 10 pénétrant dans la partie amont 6 jusqu'a un faux-fond 23', qui sépare un espace torique plat 7d du reste de l'enceinte torique 7 de la partie amont 6. Les ouvertures de départ d'eau sont formées de fentes 29 réparties sur toute la circonférence du bord intérieur du faux-fonå 23'. L'eau de refroidissement sortant d'un tuyau 25' entre dans l'espace annulaire 7d, traverse les perçages 21' et pénètre dans l'espace torique extérieur îîd, où elle se dirige sur l'extrémité aval de la tuyère. La, elle circule autour du bord aval arrondi du corps directeur 27, à une vitesse élevée (10 m seconde par exemple) due à la petite largeur de la fente 28, jusqu'à ce qu'elle atteigne l'espace annulaire intérieur lic. Après quoi elle traverse les fentes 29 pour passer dans l'enceinte amont 7 et, de là, dans l'ouverture de sortie 3 raccordée au tuyau de retour. Les fentes de départ d'eau 29 étant disposées à proximité immédiate de la chemise intérieure conique 4, cette chemise échauffée par le vent chaud est refroidie énergiquement par l'eau sortant des fentes 29 à une grande vitesse. bans le mode de mise en oeuvre représenté par la figure 12, un tuyau d'arrivée d'eau 30 part de l'ouverture 2 et traverse l'enceinte torique amont 7 et l'enceinte torique aval 11. Ce tuyau 30 est coudé en principe en forme d'une demie spire, si bien qu'il présente à son orifice de sortie une composante de direction tangentielle. L'eau de refroidissement sortant de cet orifice avec une composànte de vitesse tangentielle pénètre dans l'enceinte torique aval 11, où elle se dirige d'abord sur l'extrémité aval fortement échauffée de la tuyère pour retourner en forme d'hélice, à une vitesse élevée. Elle passe dans l'enceinte torique amont 7, pratiquement sur toute sa circonférence, et, de là, par l'ouverture 3, dans le tuyau de retour. L'invention permet de réduire au minimum les dimensions de la partie aval 8 devant pénétrer dans le fourneau. Dans la plupart des modes de mise en oeuvre représentés et aécrits ci-dessus, le diamètre extérieur de la tuyère diminue de plus de 40 , à l'endroit du raccordement de la partie aval 8 à la partie amont 6. Dans les deux derniers modes de mise en oeuvre décrits, la diminution de diamètre est quelque peu moins forte, par suite de la disposition du corps directeur 27 et du tuyau d'amenée d'eau 30. jais elle est supérieure à 25 ,0. La surface du nouvel organe exposée aux projections de fonte et de laitier diminue par rapport à celle des tuyères connues, avec le diamètre extérieur. La diminution de diamètre présente l'avantage de gêner l'adhérence des projections à la partie aval 8. D'autres avantages importants peuvent être mis en évidence. 'Invention permet de diminuer beaucoup la surface refroidie sans réduire la section de soufflage. On obtient ainsi un abaissement considérable de la consommation d'eau de refroidissement sans porter atteinte à l'effet refroidisseur et, d'autre part, on soustrait aux hauts fourneaux une quantité réduite de calories. Il en résulte des avantages métallurgiques pour la conduite des fourneaux. Grace à la disposition de la partie amont 6, la nouvelle tuyère peut être substituée sans àiffi- culté aux tuyères connus. La grande enceinte torique 7 de la partie amont 6 permet d'améliorer 7'amenée et l'évacuation de l'eau de l'enceinte torique de la partie aval 8 de façon à éviter pratiquement les pertes de charge dans la partie amont 6 et à les lirniter à la partie aval 8. aevenuications 1. - Tuyère de soufflage de hauts fourneaux comprenant une enveloppe double entourant une enceinte torique destinée à etre parcourue par le fluide refroidisseur, ladite tuyère étant caractérisée en ce que le diamètre exté rieur de la partie aval devant pénétrer dans le creuset du haut fourneau est considérablement inférieur à celui ae la partie amont devant être insérée dans la maçonnerie du fourneau. 2. - Tuyère selon la revenaication 1, caractérisée en ce que le diamètre extérieur de la partie aval est intérieur et en ce que d'au moins 25 % à celui de la partie amont, l'enceinte torique aval comprise entre une chemise extérieure et une chemise intérieure a une faite hauteur. 3. - uyère selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le raccordement de la partie amont > la partie avai est étagé. 4. - Tuyère selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisée en ce que l'enceinte torique de la partie aval présente des ouvertures espacées d'ad mission et de départ d'eau. 5. - Tuyère selon l'une quelconque les revendications pré- cédenbes, caractérisée en ce qu'au moins la remise n térieure de la partie aval est cylftdrique. 6. - Tuyère selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que l'ouverture d'admission et l'ouverture ae départ d'eau de l'enceinte torique aval sont diamétralement opposées et s'étendent chacune sur une zone angulaire inférieure a 90 et, ae préfé- rence, égale ou inférieure à 45C. 7. - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'ouverture d'admission et/ou l'ouverture de départ sont divisés en deux ouvertures par une nervure longi tudinale prévue sur toute la longueur de l'enceinte torique aval. 8. - Tuyère selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce que ltouverture d'admission et l'ou verture de départ sont placées côte à côte et séparées par une nervure ae faible largeur, prévue sur toute la longueur de l'enceinte torique aval, ces ouvertures s'étendant chacune sur une zone angulaire inférieure à 90 et, de préférence, égale ou inférieure à 450. 9. - Tuyère selon l'une quelconque des revendications 7 à 5, caractérisée en ce que les ouvertures à'admission et ae départ sont en principe réparties sur les deux moitiés de la dirconférence ae 11 enceinte torique aval et sont séparées de part et d'autre par des nervures longitu finales de petite largeur comportant chacune un conduit de repassage à l'extrémité aval de l'enceinte torique. 10. - Tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'enceinte torique aval est divisée par un corps directeur annulaire, qui s'étend jusqu'à proximité immédiate de son extrémité aval, en un espace torique intérieur et un espace torique ex térieur dont l'un est muni d'orifices d'admission d'eau et dont l'autre est muni d'orifices de départ d'eau, tous ces orifices étant uniformément répartis sur la circonférence desdits espaces toriques. 11. - ;uyère selon l'une quelconque des revendications 1 à s, caractérisée en ce qu'au moins un tuyau d'amenée du fluide refroidisseur pénètre dans l'enceinte torique aval et s'étend jusqu'au voisinage de l'extrémité avant de la tuyère. 12. - tuyère selon la revendication lu, caractérisée en ce que le tuyau d'amenée du fluide refrolaisseur est coudé en forme d'hélice, son orifice de sortie étant orienté tangentiellement et/ou ayant au moins une composante tangentielle. 13. - tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'une enceinte de forme spéciale est séparée de l'enceinte torique amont et en ce que l'une de enceintes ainsi obtenues est raccordée à un tuyau d'arrivée d'eau de refroidissement et communique avec enceinte torique aval par l'ouverture d'admission tancis que l'autre enceinte est raccordée à un tuyau de retour d'eau et communique avec l'enceinte torique aval par l'ouverture ae départ.