Brevet FR2198998A1 — publié le 19740405

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour le soufflage d'oxygène de façon discontinue dans les convertisseurs du type L.P. (procédé de Linz - Donavitz). les vitesses de réaction réalisables entre carbone et oxygène ne, dans les conditions physiques présentes dans les convertisseurs du type ci-dessus, sont sensiblement supérieures à celles réalisées dans la pratique. Les débits spécifiques atteints dépendent en général de l'élimination des produits gazeux de 1' affinage (installations d'aspiration de fumées, chaudières de récupération, phénomènes d'étincelage et d'éclaboussement. Il y a par contre d'autres réactions du processus d'affinage qui se produisent moins rapidement, notamment à cause de la faible interaction entre les différentes phases du bain ; parmi ces dernières, celles entre les scories et le métal (désulfuration, déphosphoration, oxydation du manganèse, formation des scories) sont d'un intérêt particulier. L'expérience prouve qu'à la fin de l'opération de soufflage, les réactions respectives sont d'un degré d'avancement très éloigné de la condition d'équilibre thermodynamique. Ces inconvénients sont spécialement ressentis à de hauts débits spécifiques et ont amené, d'une part, à augmenter le nombre des tuyères des têtes de lance et, d'autre part, à l'em- ploi de produits spéciaux qui accélèrent la formation des scories. le remarquable déséquilibre des réactions entre scories et bain se traduit dans la difficulté de produire, au moyen d'un con- vertisseur L.D., des aciers ayant des caractéristiques qualitatives plus élevées. La réduction de ces limites peut permettre, par contre, de produire, dans lesdits convertisseurs, des aciers de meilleure qualité à de hauts débits ipécifiques, c'est-à-dire d'une productivité plus poussée. Les coefficents de transport de masse étant suffisamment élevés aussi pour les réactions entre scories et métal, la limitation de l'inter ction entre les phases présentes, et par conséquent des vitesses de réaction, est constituée par les surfaces d'échange réduites entre lesdites phases.Les surfaces limitées d'échange proviennent du fait que, avec les modalités actuelles de soufflage, les scories sont portées au bain et, en général, le contact s'établit entre les phases seulement et exclusivement par la turbulence partielle des jets d'oxygène et par les phénomènes d'instabilité qui s'ensuivent et qui sont présents dans la superficie de contact entre oxygène et bain. -La turbulence partielle des jets d'oxygène, qui sortent des passages à travers la couche de scories, est utile parce qu'une action de transport des scories est effectuée par ces jets sur les surfaces latérales de ces passages. Ce fait, entre autres, justifie l'augmentation du nombre des tuyères dans les soufflages à hauts débits à cause de l'augmentation des surfaces latérales des passages qui s' ensuit. En outre, la turbulence des jets d'oxygène provoque des phénomènes d'instabilité sur la surface de l'empreinte sur le bain, instabilité qui est efficace pour le mélange de l'oxygène des autres phases. La phénoménologie décrite provoque la dispersion des divers composants du débit qui - le système étant essentiellenent constitué par une matrice fluide - tendent à se séparer sous l'action du champ de gravitation ; cette séparation est contrebalancée par l'arrivée de nouvelles quantités de composants sous la forme de particules (liquides, solides ou gazeuses), à cause de l'action des jets d'oxygène. Puisque le mélange est acoompagné par des phénomènes d'ins tabilité - qui sont d'ailleurs présents aussi à la surface de séparation oxygène-scories - il a lieu en quantités discrètes des composants du système, c'est-à-dire de façon discontinue. Il s'en- suit que, pour améliorer le mécanisme de mélange et, par conséquent, l'interactlon des différentes phases, une série de phénomènes discontinue est à conseiller. Pour accentuer les phénomènes d'instabilité qui sont présents dans les cories et dans le bain, ou pour les provoquer s'ils n' ont pas lieu, on peut agir sur l'alimentation de la phase oxygène en la rendant discontinue ou, particulièrement, en lui donnant une caractéristique pulsante. L'objet de la présente invention est le soufflage de l'oxygène dans des convertisseurs L.D. avec des modalités discontinues réalisées par des obturations temporaires des respectives tuyères des têtes de lance, c'est--dire par des diminutions instantanées de la capacité de Sénétration de jets d'oxygène pendant toute la durée du soufflage ou seule eut pendart une partie de cette durée. L'obturation temporaire des tuyères peut être réalisée des façons suivantes a) en introduisant, dans la surface latérale de la tuyère, un obturateur (obturateur latéral) qui, convenablement profilé, ré duit, dans une section déterminée, l'aire disponible pour le passage de l'oxygène. b) en obturant le tronçon convergent et/ou la section minimum de passage de la tuyère par un obturateur qui se déplace le long de l'axe de la tuyère (obturateur axial) c) par un obturateur tournant, convenablement profilé, placé dans la section d'orifice des tuyères. Qu'il s'agisse d'obturateur latéral, axial, ou tournant, ceux-ci peuvent etre mis en mouvement par un mécanisme quelconque qui peut aussi être adapté à permettre de régler la course des obturateurs, leur vitesse de rotation, et modifier les temps d' obturation et les temps de fonctionnement à tuyère non-obturée l'obturation d'une tuyère peut aussi être telle à empêcher complètement le passage de l'oxygène (fermeture totale de la tuyère). La diminution de la capacité de pénétration des jets d'oxygène peut être obtenue des façons suivantes a) en faisant varier la géométrie de la tuyère dans le temps, on fait alterner son rapport d'expansion et/ou créer des irrégularités superficielles dans son tronçon divergent b) par des jets secondaires de fluides injectés à travers les parois latérales des tuyères et/ou des jets de particules liquide ou solides introduits dans le courant d'oxygène en amont de la tuyère ou dans la tuyère même c) par des champs acoustiques, créés intentionnellement, et qui intefèrent avec lesdits jets et en diminuent la pénétration dans le bain d) en faisant varier la pression d'alimentation en amont des tuyères. Les objets, avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront, en outre, de la description qui suit donnée à titre d'exemple en référence aux formes d'exécution choisies et représentées, dans lesquelles la figure 1 montre une section de la tête d'une lance de soufflage de l'oxygène, selon un plan perpendiculaire à l'axe de la lance ; la réalisation illustrée de l'invention, les conduites de chacune des tuyères comportent obturateurs d'interception latéraux, commandés par une came centrale rotative .; la figure 2 montre en variante et en coups la tête d'une lance de soufflage de l'oxygène suivant un plan passant par ltaxe de deux des tuyères ménagées à l'extrémité de la lance ; dans ce cas les obturateurs devant modifier la section de passage de 1' oxygène sont placés axialement par rapport aux tuyères respectives la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 ; suivant laquelle, l'obturation de l'orifice des tuyères placées sur extrémité de la tête de la lance, est obtenue par un dispositif unique tournant, susceptible de masquer et de démasquer succes vivement toutes les tuyères les figures 4a, 4b, 4c illustrent les effets du soufflage de l'oxygène de façon discontinue par une section verticale qui passe par l'axe d'une tuyère et qui traverse l'épaisseur de la coche des scories qui flottent sur le bain métallique. A titre d'exemple, oa représenté a la figure 1 le mécanisme d'obturation dans la tête d'une lance comportant quatre tuyères disposées suivant un cercle, ce mécanisme étant à obturateur latéral. La figure précitée est une section de la tête 1 de la lance de soufflage de l'oxygène suivant un plan normal à l'axe de ladite lance avec les quatre tuyères A de passage de l'oxygène. Les obturateurs latéraux B qui, lorsqu'ils ne sont pas en fonction sont maintenus en position de retrait par le ressort G, sont disposés dans la paroi latérale 2 des tuyères dans des cavités 3 qui y sont prévus à cet effet. La came D, qui tourne autour d'un axe colncidant avec l'axe de la lance 1 secoue son action dans son mouvement de rotation, alternativement sur les obturateurs B lesquels, en avançant, dans les tuyères A diminuent la section de passage de l'oxygène. Les profils de la came, et des extrémités des obturateurs latéraux qui sont en contact avec elle, sont tels qu'ils permettent la fermeture partielle, de la façon la plus convenable. Plus particulièrement, la came peut être dotée de plusieurs bossages et conséquemment ne pas obtenir une seule tuyère à chaque tour de rotation. La vitesse de rotation de la came peut être variable même pendant le même processus de soufflage. lie profil de la came peut être tel que, pour certaines positions de celle-ci, aucune des tuyères n'est fermée. La rotation de la came peut s'effectuer dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre ou encore en sens inverse, le changement du sens de rotation peut de même être, inverse pendant le processus de soufflage. Les obturateurs latéraux B peuvent être actionnés aussi par un système électro-magnétique à solénoïde, qui n'est pas illustré à la figure 1. Dans untel cas, il est possible de faire varier très facilement les temps d'obturation et - de façon indépendante par rapport à ces derniers - les temps de fonctionnement nonobturé ; en outre, on peut aisément invertir la séquence d'obturation. La commande des obturateurs B peut aussi être effectuée par un système pneumatique qui n'est pas montré au dessin et qui utilise le même oxygène de soufflage, en tenant compte qu'il y a de sensibles différences de pression entre la conduite de la lance et les sections des tuyères en aval de ladite conduite. A la figure 2 montrant à titre d'exemple une autre méthode d'obturation, on voit que cette dernière est effectuée par des obturateurs axiaux F. Sur cette figure on voit en coupe axiale l'extrémité de la lance 101 de soufflage d'oxygène selon un plan qui contient l'axe de ladite lance avec les tuyères de passage de l'oxygène E. Les obturateurs axiaux F, dotés d'un mouvement alternatif dans la direction des axes des tuyères, peuvent obturer, totalement ou partiellement,les tuyères E de passage de l'oxygène. La succession et la fréquence des obturations, ainsi que le rapport "temps d'obturation / temps de soufflage non-obturéU peuvent être quelconques et peuvent varier durant le processus de soufflage. lies obturateurs ne doivent pas nécessairement avoir une forme symétrique par rapport à l'axe et peuvent rester en position soulevée (sans obturer les tuyères) pendant certaines périodes de temps durant le soufflage. La course des obturateurs axiaux peut être variable. Le mécanisme de commande des obturateurs axiaux peut être semblable à celui qui a été décrit précédemment pour les obturateurs B, ou encore différent. Un autre exemple de mcanisme d'obturation est représenté dans la figure 3, dans lequel on voit que la tête de lance 201 comporte trois tuyères G, obturable avec un obturateur tournant H.Dans cette figure montrant en coupe transversale la tête de lance 201 selon un plan normal à l'axe de ladite lance, (la coupe étant faite près des sections d'orifice de l'oxygène aux tuyères G) on voit que 1' obturateur H, qui tourne autour d'un axe qui coïncide avec l'axe de la lance, ferme-citournant - alternativement les sections d' orifice des tuyères, diminuant ainsi le débit d'oxygène. La vitesse de rotation de l'obturateur H ne doit pas nécessairement être constante, mais elle peut varier au cours d'un même processus de soufflage, de façon à permettre de faire varier les temps d'obturation et, indépendamment de ces derniers, les temps de fonctionnement non-obturé. lie profil de l'obturateur peut être tel que, pour certaines de ses positions, aucune des tuyères n'est obturée. La rotation de ltobturateur peut avoir lieu dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre ou bien en sens inverse, et peut être inverti une fois ou plusieurs fois au cours d'un même processus de soufflage. Un des effets du soufflage de l'oxygène dans les convertisseurs L.D. de façons discontinue est montrée dans la figure 4a, ou l'on voit que le jet 10, qui sort d'une des tuyères de la tête de lance 11, dans le cas d'use tuyère non-obturée, conserve la fonction primaire de faire inter-agir l'oxygène avec le bain 12, et avec la surface latérale du passage que ledit jet s'ouvre à travers les scories 13. Lorsque la tuyère est obturée, puisque la capacité de pénétration du uet qui en résulte est nulle ou très petite, les scories 13 ont la tendance de remplir le passage qui s'était créé précédemment, se déplaçant de la périphérie vers ledit passage (figure 4b).Au moment où l'obturation cesse, le nouveau jet à haute force de pénétration qui sort de la tuyère frappe directement dans les scories, qui ont partiellement ou, totalement rempli les passages, et les entraine dans le bain. Etant donné que les jets frappent de façon discontinue (voir spécialement latigure 1, par exemple, à came tournante),- et outre le fait qu'ils provoquent une circulation du bain et des scories dans des plans sur l'axe du convertisseur - ils provoquent des mouvements normaux à cet axe, c'est-à-dire parallèles à la surface du bain. Lorsque durant le soufflage on invertit le sens de rotation dans l'obturation des jets, les phénomènes d'inertie dans le bain et dans les scories donnent naissance à des phénomènes d'ondes qui provoquent des mouvements qui s' appliquent à un remarquable volume du débit. Les avantages, qui dérivent d'une alimentation de type discontinu, sont les suivants : les scories sont entraSnées de fa dis . çon/(donc répétée) et avec plus d'intensité (donc en plus grande quantité) dans le bain métallique. Les phénomènes d'instabilité de surface de séparation sont plus accentués et il en résulte une plus grande dispersion des scories en particules de petite dimension et donc une meilleure émulsion bain-scories avec une durée moyenne plus brève. En définitive, on a une remarquable augmentation du transport de masse à cause d'une plus grande surs ce de séparation entre scories et bain, et de plus grandes différences de concentrations entre les composants qui prennent part aux réactions, ce qui se traduit par une meilleure cynétique de ces dernières. En outre, à cause'de 1'aaternance, dans la même zone, de la présence et de l'absence de la poussée des jets d'oxygène, on a un rappel des scories et du bain de la périphérie vers le centre du convertisseur ; enfin, on induit des mouvements tangentiaux qui provoquent une plus grande circulation, tant dans le bain, que dans les scories. Le mélange des différents types de mouvements induits qui en résultent, a l'effet de rendre homogènes tant les scories, que le bain, non seulement par rapport aux divers composants qui s'y trouvent, mais aussi comme distribution des températures. Le fait d'obtenir le soufflage de l'oxygène de façon discontinue, dans des installations qui sont déjà en fonction, ne comporte pas de grands frais de modification de ces installations, étant donné qu'il est nécessaire seulement de modifier les têtes de lance et une partie de la conduite des lances. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à ce qui a été décrit et représenté , mais est, au contraire suscepti ble de nombreuses modifications et variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente demande, REVENDICATIONS 1. Procédé pour le soufflage d'oxygène dans les convertisseurs du type L.D., (procédé de Linz - Donawitz) de façon à augmenter l'inter-action entre les différentes phases du bain, et spécialement entre le métal liquide et les scories qui surnagent, se caractérise par le fait que le soufflage de l'oxygène est ef fectué de façon discontinue pendant ai moins une partie de la durée de ce soufflage. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le soufflage discontinu est effectué en obturant, de façon variable dans le temps, les tuyères de sortie de l'oxygène placées dans la tête de la lance. 3. Procédé,selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cette obturation est poussée jusqu'au point d'interrompre, pendant un certain intervalle de temps, la sortie de l'oxygène de chacune des diverses tuyères de la tête de lance, de préférence à des temps différents pour chaque tuyère. 4. Procédé, selon a revendication 1, caractérisé par lofait que ledit soufflage discontinu est effectué en faisant varier, dans le temps, la capacité de pénétration du jet dans le bain. 5. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite variation de la capacité de pénétration du jet est obtenue par une variation de la géométrie de la tuyère. 6. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite variation dela capacité de pénétration du jet est obtenue par des injections discontinues de jets secondaires de fluides à travers les parois latérales des tuyères. 7. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite variation de la capacité de pénétration du jet est obtenue par des jets secondaires discontinus de particules solides et/ou liquides et/ou gazeuses dans le courant d'oxygène immédiatement en amont de la tuyère, ou dans la tuyère même. 8. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite variation de la capacité de pénétration est obtenue par deschamps acoustiques discontinus, créés intentionnellement. 9. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé par. le fait que ladite variation de la capacité de pénétration du jet est obtenue par des variations de la pression d'alimentation du jet d'oxygène. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon 14 une quelconque des revendications précédentes, du type comprenant une lance pour le soufflage d'oxygène sous pression, qui se termine par une tête de lance traversée par un nombre approprié de tuyères pour l'oxygène, un tel dispositif tant caractérisé par le fait que ces tuyères sont munies de moyens d'obturation appropriés et susceptibles de faire varier l'orifice de sortie de la tuyère de façon discontinue. 11. Dispositif, selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'une série de tuyères sont disposées suivant une circonfrence autour de l'axe de la lance et, en ce que dans la paroi de ces tuyères, il y a au moins un passage adapté à recevoir un obturateur mobile radialement. 12. Dispositif, selon la revendication 11, caractérisé par le fait que lesdits obturateurs sont placés en position de repos par un moyen élastique, tandis qu une came rotative tournant autour de l'axe de la tête de lance, est adaptée à repousser lesdits obturateurs vers une position d'obturation. 13. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications, caractérisé par le fait que lesdits obturateurs sont actionnés par un dispositif électrique, pneumatique, hydraulique ou autres. 14. Dispositif, selon la revendication 10, caractérisé par le fait que chacune desdites tuyères comporte un obturateur axial mobile, commandé de façon appropriée, dans la direction axiale de la tuyère, éventuellement jusqu'à une position d'obturation complète de ladite tuyère. 15. Dispositif, selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'obturation discûntinue des tuyères de la tête de lance est obtenue par un obturateur tournant autour de l'axe de la lance et qui passe alternativement devant chacune des tuyères de la tête de la lance respective.