Brevet FR2083329A1 — publié le 19711217

La présente invention concerne les dispositifs tubulaires allongés, exposés à des températures élevées, et qui sont refroidis par une circulation d'eau, et a notamment pour objet la construction des lances d'injection, sondes, brûleurs et autres appareils à circulation d'eau utilisés en métal-5 lurgie. Dans de nombreuses opérations métallurgiques, il est courant d'introduire des matières, par exemple, des carburants et des gaz, ou des appareils, tels que des thermocouples, à l'intérieur d'un four ou d'un convertisseur métallurgique à travers un conduit tubulaire allongé. Etant donné que la partie 10 de ce conduit qui est à l'intérieur du four ou du convertisseur est exposée à des températures élevées pendant de longues périodes de temps, il est classique de protéger ce conduit par une circulation d'eau. Un exemple typique d'un tel dispositif est la lance utilisée pour injecter de l'oxygène dans on convertisseur ou un four de productiôn d'acier. Cette lance à oxygène se 15 compose normalement d'un certain nombre d'éléments tubulaires concentriques espacés, dont certains sont reliés à leurs extrémités antérieures par un embout ou ajutage en cuivre. Ces divers organes tubulaires constituent non seulement un conduit pour l'oxygène mais aussi des canaux pour la circulation de l'eau de refroidissement dans la lance. Or, l'élément tubulaire extérieur 20 est exposé"à des températures élevées en ambiance corrosive, tandis que les organes tubulaires intérieurs restent relativement froids et sont protégés par la circulation d'eau. Cette situation a pour conséquence que l'organe tubulaire extérieur s'allonge beaucoup plus par dilatation que les organes tubulaires intérieurs et, si aucune disposition n'est prise, cette dilatation 25 différentielle a pour conséquence qu'il se développe, dans la lance, des contraintes susceptibles de la déformer et même de la rompre. Jusqu'à présent, il était d'usage de serrer, ou relier rigidement d'une autre manière, l'élément tubulaire extérieur de la lance au mécanisme de support de cette dernière ou bien, dans certains cas, directement à~la 30 paroi ou à la voûte du four. Par suite de.la dilatation différentielle ci-dessus, les éléments tubula-ires intérieurs comportent souvent des joints coulissants qui leur permettent de se déplacer librement en direction de l'axe longitudinal de la lance. En munissant ces joints de bagues toriques ou éléments analogues, leur étanchéité aux fluides peut être réalisée. 35 Toutefois, dans une telle lance, l'organe tubulaire extérieur fixe supporte tout le poids de -celle-ci. Il supporte de plus le poids de l'eau de refroidissement . contenue dans la lance, ainsi quecelui de. la carapace de métal et - -• COPY 71 0920] 2 2083329 de laitier qui adhère parfois à l'extérieur de la lance. L'action combinée d'un pdids élevé et d'une exposition permanente à des températures extrêmes en ambiance corrosive se traduit souvent par une défaillance de l'élément tubulaire extérieur, notamment, à l'endroit où 5 il est soudé à l'embout ou ajutage en cuivre. De plus, les joints coulissants internes utilisés dans ces lances sont difficiles à entretenir car ils sont peu accessibles. C'est pourquoi il est fréquent qu'ils ne fonctionnent pas et de ce fait, laissent se développer dans la lance des contraintes assez fortes pour fissurer les joints soudés ou pour briser l'embout ou ajutage. 10 „ La dilatation de l'organe tubulaire extérieur dans les lances de genre connu a pour résultat que cet embout ou ajutage et les éléments tubulaires intérieurs se rapprochent du bain de métal en fusion contenu dans le four ou le convertisseur. Or, étant donné que l'intervalle entre le bout de la lance et la surface du bain de métal est souvent critique, ce mouvement 15 peut avoir une influence nuisible sur le processus d'affinage. Lorsque la lance contient des instruments, ce mouvement peut nuire à leur fonctionnement. L'invention a donc pour objet une lance, ou dispositif analogue à refroidissement par circulation d'eau, dans laquelle l'élément tubulaire extérieur peut se déplacer librement en direction longitudinale et ne supporte 20 pratiquement aucun poids, les poids de la lance, de l'eau de refroidissement et de la carapace de métal et de laitier étant supportés par un ou plusieurs des éléments tubulaires intérieurs refroidis et protégés et l'embout de la lance et des organes tubulaires intérieurs étant maintenus dans une position fixe par rapport à la surface du bain de métal en fusion contenu dans le 25 convertisseur, four, etc. Le dispositif de l'invention présente de plus les avantages d'être plus facile à réaliser et à entretenir que les instruments connus. Selon l'invention, un joint de dilatation étanche aux fluides, tel qu'un joint coulissant, est irrséré entre l'élément tubulaire extérieur et 30 le support de la lance, de sorte que cet élément tubulaire extérieur est libre de se déplacer axialement par dilatation, tout en ne supportant pratiquement aucun poids. D'autres objets et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'exemples nullement limitatifs de réalisation 35 en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une lance à oxygène selon un mode de réalisation préféré de l'invention; et 71 09201 « 3 2083329 - la figure 2 est une coupe analogue d'une variante de cette lance à oxygène. On voit en particulier sur la figure 1, une lance à oxygène 1, conforme à l'invention, qui comprend trois éléments tubulaires allongés 5 concentriques 2, 3 et 4. L'élément tubulaire intérieur 2 et l'élément tubulaire extérieur 4 sont reliés à leurs extrémités antérieures par un embout ou ajutage 5. L'extrémité postérieure de l'élément tubulaire intérieur 2 est raccordée à une source d'oxygène sous pression par un coude 6. Cet élé-10 ment tubulaire 2 sert de conduit d'amenée d'oxygène finalement éjecté par les orifices 7 d'ajutage 5, L'élément tubulaire intermédiaire 3 divise l'espace compris entre, l'élément tubulaire intérieur 2 et l'élément tubulaire extérieur 4 en deux passages pour la circulation d'eau ou autre réfrigérant. L'eau de refroidissement entre dans la lance 1 par le passage 15 d'entrée 8 situé à son extrémité postérieure. Cette eau descend le long du passage délimité formé entre l'élément tubulaire intérieur 2 et l'élément tubulaire intermédiaire 3 jusqu'à ce qu'elle atteigne l'embout 5 où elle est déviée vers le haut dans le canal délimité entre- l'élément tubulaire intérieur 3 et l'élément tubulaire extérieur 4 pour ressortir finalement 20 par le passage de sortie 9 situé à l'extrémité postérieure de la lance 1. Les éléments tubulaires 2, 3 et 4 sont de préférence en acier. L'embout ou ajutage 5 est, de. préférence, en cuivre ou alliage de cuivre. Comme le montre la figure 1, un manchon d'acier 11 entoure l'extrémité postérieure de la lance 1, juste sous le passage d'entrée d'eau 8, et 25 le passage de sortie d'eau 9. Ce manchon 11 prend appui ou est fixé d'autre manière sur un ensemble de maintien 12, qui non seulement supporte la lance 1 mais peut aussi constituer un chariot permettant de l'introduire et l'extraire du four et de la maintenir dans une position fixe par rapport à celui-ci; Il est important de noter qu'en fixant l'élément tubulaire 30 intérieur 2 au manchon 11, ce dernier transmet tout le poids de la lance 1 à l'ensemble de support 12, de sorte que pratiquement aucune charge n'est imposée à l'élément tabulaire extérieur 4. Comme l'illustre également la figure 1, l'extrémité postérieure de l'élément tubulaire extérieur 4 se termine à l'intérieur du manchon 11s 35 et est au contact direct de celui-ci. Des gorges 13 sont ménagées dans la paroi extérieure de l'extrémité postérieure de l'organe tubulaire 4 pour loger des bagues de caoutchouc 14 constituant un joint coulissant étanche aux fluides entre le manchon 11 et l'élément tubulaire extérieur 4. 71 09201 2083329 Par ce mode de construction de la lance 1, l'élément tubulaire extérieur 4 flotte librement et est libre de se déplacer axialement quand il se dilate, dans le four par rapport au manchon 11. L'élément tubulaire intérieur 2 supporte pratiquement tout le poids deblance 1 et de l'eau de 5 refroidissement. Cet élément tubulaire intérieur 2 est fixe. Cet élément 2 pourrait être fixé au manchon 1 par soudage, mais il est préférable d'utiliser un raccord fileté 15 qui se visse dans la plaque supérieure 17 de l'ensemble 12 et un écrou de blocage 16 sur l'extrémité postérieure de l'élément tubulaire intérieur 2 afin de faciliter le 10 démontage de la lance 1 aux fins de réparation. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un joint de dilatation 18 à tube plissé relie l'extrémité postérieure de l'élément tubulaire extérieur 4 au manchon 11. Une bride 19 est soudée horizontalement à la paroi extérieure de l'organe tubulaire 4, 15 juste sous le joint 18, afin de protéger le soufflet de la chaleur du four. Ces modes de construction permettent à l'élément tubulaire extérieur de se déplacer en direction axiale, tout en lui évitant de supporter une charge. Il contribue, dans une large mesure, à un fonctionnement de longue durée sans incident de ces dispositifs refroidis par circulation 20 d'eau. Ce mode de construction assure aussi que l'embout ou ajutage de la lance et les éléments tubulaires intérieurs restent dans une position fixe par rapport à la surface du bain de métal en fusion contenu dans le four ou convertisseur pendant la chauffe. Il est bien évident que l'invention s'applique non seulement 25 aux lances à oxygène comportant un conduit d'oxygène central, mais également aux lances comportant un conduit d'oxygène intermédiaire, ainsi qu'à d'autres dispositifs tubulaires à refroidissement par circulation d'eau, tels que des brûleurs, des sondes ou des instruments qui comportent une chemise d'eau les protégeant des effets des températures élevées. 30 De même, bien qu'il soit préférable d'utiliser un joint coulis- sans du type torique, d'autres types de joints de dilatation, comme dans le cas du tube plissé représenté sur la figure 2, pourraient être utilisés pour permettre le déplacement axial libre de l'élément tubulaire extérieur 4, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Il en est de même pour les 35 nombreuses modifications et variantes qui apparaissent évidentes à l'homme de 1'art. 71 09201 5 2083329 RE VENDI CAT ION S 1 - Appareil destiné à introduire des organes à l'intérieur d'une enceinte chauffée et caractérisé par un élément tubulaire concentrique et espacé intérieurement d'un second élément tubulaire, les extrémités anté- 5 rieures de ces deux éléments étant assemblées, un troisième élément tubulaire concentrique et espacé de ces deux premiers et délimitant avec eux deux passages pour la circulation d'un réfrigérant, un manchon concentrique et espacé de ces trois éléments tubulaires et fixé aux extrémités postérieures des second et troisième éléments tubulaires, et un joint de dilatation, 10 ètanche aux fluides, ferment hermétiquement l'espace compris entre l'extrémité postérieure du prends: élémeit et ledit manchon et permettant à ce premier élément de se déplacer axialement sans qu'il en résulte un déplacement des second et troisième éléments. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 le second élément tubulaire forme un conduit d'écoulement d'oxygène gazeux. 3 - Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le joint de dilatation est un joint à coulissement. 4 - Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le joint de dilatation est un joint à tube plissé. 20 5 - Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le joint de dilatation est un presse-étoupe. 6 - Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits organes sont des instruments. 7 - Appareil destiné à introduire des matières à 1:intérieur 25 d'une enceinte chauffée, caractérisé par une chemise d'eau entourant un conduit tubulaire allongé, des moyens de support pour tenir ce conduit dans une position fixe par rapport à ladite chambre et un joint de dilatation étanche à l'eau associé à la paroi extérieure de ladite chemise d'eau pour permettre un mouvement axial libre de ladite paroi extérieure. 30 8 - Appareil pour introduire des matières dans une enceinte chauffée, caractérisé par un élément tubulaire extérieur et un ou plusieurs éléments tubulaires intérieurs espacés et concentriques dans ledit élément tubulaire extérieur, dont l'un au moins est relié à l'extrémité antérieure dudit élément tubulaire extérieur, formant ainsi un passage pour la circula-35 tion d'un réfrigérant, un manchon espacé et concentrique de, et fixé à, l'extrémité postérieure de l'un au moins desdits éléments tubulaires intérieurs, 71 09201 6 2083329 ce manchon transmettant le poids des éléments tubulaires intérieurs à un support, et un joint de dilatation étanche aux fluides placé entre l'extrémité. postérieure de l'élément tubulaire extérieur et le manchon et permettant à cet élément de se déplacer axialement, sans qu'il en résulte un déplacement des éléments tubulaires intérieurs.