Brevet FR2228845A1 — publié le 19741206

L'invention concerne une tuyère pour l'introduction de gaz d'affinage, notamment de l'oxygène, dans un récipient métallurgique au-dessous de la surface du bain, le gaz d'affinage étant introduit dans le bain par un tube interne à travers la paroi et un moyen de protection étant injecté par un tube extérieur concentrique. On connatt des procédés de l'art antérieur considéré par le brevet allemand 1 583 968 et par le brevet américain 3 706 549. Ces procédés mettent en oeuvre de l'oxygène chargé de poudre de craie et sont exécutés de préférence au moyen de carbures d'hydrogène liquides ou gazeux comme le méthane, le gaz naturel, le propane, le butane, l'éthane et des huiles légères. Pour maintenir le plus possible constante la fente annulaire entre le tube intérieur et le tube extérieur en cours de service du convertisseur, on peut agencer sur la surface externe du tube intérieur ou sur la surface intérieure du tube extérieur des intercalaires, par exemple des nervures, des tétons ou des hélices en spirale. Une usure la plus possible uniforme des tuyères et de la maçonnerie environnante représente un élément décisif pour la tenue en service du convertisseur. On peut réaliser une usure uniforme en réglant le débit du moyen de protection, tandis qu'avec un moyen de protection tel que par exemple le gaz naturel à raison de sensiblement moins de 5% en volume, on observe une usure prématurée des tuyères en regard de la maçonnerie qui les entoure, ce qui peut entraner, selon le débit du moyen de protection, un retour de flamme immédiat dans les tuyères. L'expérience a montré que même après un choix convenable du débit du moyen de protection, on peut arriver à une usure prématurée ou à des retours de flamme dans certaines tuyères. On pourrait rechercher l'origine de cette situation dans des souillures telles que la rouille et les perles de soudure, qui conduisent à des bouchages pour le moyen de protection dans les canalisations et/ou dans l'espace annulaire entre les tubes des tuyères. in pratique, on remédie à cette situation en remplaçant généralement la tuyère prématurément usée et en bouchant le cratère formé par un matériau réfractaire. Toutefois cette façon de procéder est difficile dans le cas où l'affinage est exécuté à l'oxygène pur et avec un petit nombre de tuyères, et dans la mesure où le retrait d'une tuyère a des conséquences considérablement plus importantes que lorsque l'affina- ge se fait au vent ou à l'air enrichi d'oxygène. Pour cette raison, on a prévu dans la pratique d'équiper dès le départ le récipient d'affinage d'une ou deux tuyères en plus du nombre nécessaire, pour qu'en cas de retour de flamme imprévu ou de bouchage d'une tuyère ou davantage, on puisse continuer l'affinage avec un nombre suffisant de tuyères. Les récipients à soufflage latéral présentent l'avantage que la section de soufflage des tuyères et de la pression du gaz peuvent être augmentés en comparaison des récipients à soufflage par le fond, sans que l'on risque de faire traverser le bain par les jets gazeux. De ce fait, les récipients d'affinage à soufflage latéral sont souvent munis d'une ou deux tuyères dans leur paroi latérale. Dans ces cas le bouchage d'une tuyère est un fait entièrement séparé d'une usure prématurée. En outre l'expérience a montré que la maçonnerie qui est immédiatement adjacente aux tuyères s 'use plus vite que le reste de la maçonnerie. Pour un convertisseur à soufflage par le fond, il faut normalement de ce fait installer un fond néuf une fois, pendant la durée de service du convertisseur. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et en particulier de réaliser des tuyères au moyen desquelles on peut prévenir une usure prématurée éventuelle, sans qu'il faille mettre les tuyères hors service. La tuyère suivant l'invention pour l'introduction de gaz d'affinage notamment d'oxygène, dans un récipient métallurgique audessous de la surface du bain, comporte un tube intérieur d'injection du gaz d'affinage dans le bain et un tube extérieur concentrique pour y injecter un milieu protecteur, et elle est caractérisée en ce que le tube intérieur et le tube extérieur sont déplaçables axialement à l'intérieur d'au moins un manteau tubulaire. De cette façon on crée au moins un espace annulaire supplémentaire pour introduire un moyen de protection, et il devient possible de changer le tube intérieur et le tube extérieur entre deux chargements ou de les déplacer axialement, pour influer sur l'usure de la maçonnerie au voisinage immédiat des tuyères. Ceci se produit par le biais de la formation d'un dépôt de fer poreux avec des inclusions de laitier et de matériau réfractaire. Il en résulte un accroissement du débit du milieu de protection qui est introduit par la fente annulaire, et ces dép8ts assurent une protection des tuyères, car la formation de dép8ts est maintenue dans certaines limites, à l'encontre d'une combustion prématurée et des dommages mécaniques dans la garniture solide.Il en résulte que l'introduction du milieu de protection par plusieurs fentes annulaires écarte en grande partie le danger de retour de flamme dans les tuyères0 De plus la possibilité de déplacer axialement les tubes permet d'exécuter rapidement une réparation entre deux chargements au cas où malgré tout un retour de flamme se produirait. Ainsi le tube intérieur et le tube extérieur peuvent être poussés jusqu'au niveau de la maçonnerie intacte en cas de formation d'un entonnoir, celui-ci pouvant alors être bouché par des projectisons, des enductions de graisse ou des pilons. En fonction de la profondeur de l'entonnoir, on peut aussi enlever les tubes et les remplacer par des tubes neufs. Quand on remplit 1f entonnoir, on perd la fente annulaire extérieure ; ceci n'a toutefois pas une importance déterminante, car l'espace annulaire est alimenté en milieu de protection par un système de conduites approprié , et cette alimentation peut être coupée. D'un autre côté on a la possibilité d'approvisionner en milieu de protection la fente annulaire externe, après remplissage de ltentonnoir. Si l'on utilise des carbures d'hydrogène, cela présente l'avantage que ceux-ci pénètrent dans la masse de remplissage et y sont craqués. Il se dégage alors du carbone qui, non seulement assure une liaison solide de la masse de remplissage avec la maçonnerie voisine, mais accrott également considérablement la durée de vie de la masse de remplissage. Ainsi, lorsque le tube intérieur et le tube extérieur sont entourés par plusieurs autres tubes formant. manteaux qui délimitent plusieurs fentes annulaires ou espaces annulaires, tous les tubes sont constamment poussés jusqu'au manteau tubulaire externe, de sorte qu'on maintient hors service dans tous les cas une fente annulaire, jusqu'à ce que la maçonnerie soit enlevée au niveau du manteau tubulaire extérieur. L'utilisation d'au moins un manteau tubulaire supplémentaire muni de sa propre alimentation en fluides présente un avantage qui consiste en ce que l'espace annulaire extérieur peut être de préférence alimenté en milieu de protection, pour le maintenir exempt de matières parasites comme l'acier et le laitier ou d'autres impuretés, au moment où on pousse les tubes intérieurs. Cela peut être réalisé pour autant que les espaces annulaires intérieurs ne sont plus approvisionnés en milieu protecteur et simplement que le milieu protecteur qui sort de l'espace annulaire extérieur assure la protection de l'embouchure des tuyères. Si du métal ou du laitier pénètre à l'intérieur du ou des espaces annulaires, il reste dans tous les cas la possibilité de faire coulisser les tubes intérieurs et de les changer aisément. De préférence toutes les tuyères possèdent leur manteau tubulaire. On peut ainsi, après traitement d'un certain nombre de charges dans le convertisseur, pousser tous les tubes d'un seul bloc et procéder à la réfection de la maçonnerie au voisinage des tuyères ou dans son ensemble. De cette manière il est possible d'éviter d'avoir à changer le fond d'un convertisseur à soufflage par le fond en maintenant le fond en service jusqu'à ce que le reste de la maçonnerie du convertisseur soit usé. Pour empêcher la masse de remplissage - par exemple de la magnésie ou de la dolomie avec un liant de brai - de pénétrer dans les tuyères, on peut souffler un gaz inerte pendant la réparation. D'autre part le montage de nouveaux tubes permet de fermer leurs embouchures par un couvercle amovible, qui part au moment du soufflage ou est détruit par le métal chaud. Suivant une particularité de l'invention, on peut interposer une couche intercalaire de matériau réfractaire entre deux espaces annulaires extérieurs supplémentaires. L'épaisseur de la couche intercalaire est comprise entre 5 et 25 cm environ et elle permet de changer facilement les tubes coulissants. Dans ce cas l'espace annulaire extérieur peut être rétréci en cône dans la direction de la pointe des tuyères pour faciliter le montage des tubes coulissants. L'utilisation de matériau poreux pour limiter deux espaces annulaires extérieursprésente l'avantage que l'espace périphérique est alimenté en milieu de protection par des ouvertures ou des pores dans la masse réfractaire. En outre, la sortie d'un milieu protecteur à l'extérieur d'un matériau poreux permet la formation de dépôt souhaitée dans certaines limites, à la surface de contact avec le bain. Les tuyères conformes à l'invention peuvent être réalisées en acier au carbone habituel, en acier résistant à la corrosion et aux acides, en particulier les aciers au chlorure et au chromenickel, et aussi en cuivre. On a ainsi formé des tuyères dont le tube intérieur est constitué d'acier dur au carbone ou d'un alliage d'acier avec 0,3 à 1,5 de carbone, 5 à 30% de chrome, 1 ,0% de molybdène, 1,0% de manganèse et 1s0fo de silicium, l'épaisseur de sa paroi étant de 2 à 8 mm. La fente annulaire entre le tube intérieur et un tube extérieur en acier doux concentrique qui avait une épaisseur par exemple de 2 mm, avait dans ce cas une largeur d'environ 1 mm. 1 épaisseur du manteau tubulaire était comprise entre 7 et 10 mm, de préférence 5 mm, pour conférer à la tuyère une stabilité suffisante contre les jets de ferrailles. le manteau tubulaire peut être constitué en cuivre, en acier dur ou également en matériau céramique, qui s'est révélé particulièrement approprié parce qu'à haute température il ne se soude pas au tube métallique voisin.Des observations expérimenta- les prolongées ont montré que la résistance de tubes à oxygène en acier dur au carbone était suffisante même lorsqu'on injecte de l'oxy- gène chargé de particules formatrices de laitier. le tube à oxygène se recouvre alors d'un revêtement particulièrement résistant à l'usure. On peut utiliser comme brdleules tuyères conformes à l'invention, pour préchauffer les ferrailles ou pour chauffer le récipient d'affinage. On introduit alors le nême milieu dans tous les espaces annulaires, de préférence des carbures d'hydrogène. Comme l'espace annulaire extérieur a la plupart du temps une largeur supérieure à celle de l'espace interne, il n'est pas nécessaire de maintenir la pression du milieu combustible sensiblement au-dessus de la pression d'oxygène. On peut évidemment souffler différents milieux combustibles dans les différents espaces annulaires, par exemple des milieux gazeux dans l'espace annulaire intérieur et des milieux liquides dans l'espace annulaire extérieur. On peut aussi souffler un gaz inerte pendant 1' affinage dans l'espace annulaire extérieur. Quand les tuyères comportent plusieurs manteaux tubulaires, on peut aussi souffler dans les différents interstices annulaires un gaz inerte comme milieu protecteur0 Pour permettre un échange entre deux milieux différents et pour protéger les tuyères par de l'air ou un gaz inerte, notamment quand on fait basculer le convertisseur, les différents espaces annulaires d'une part et les tubes à oxygène d'autre part sont munis de leurs propres conduites avec des organes de réglage. On peut ainsi rassembler et piloter en groupe les tubes à oxygène et/ou les espaces annulaires. De cette manière il est possible d'approvisionner chaque espace annulaire en un milieu déterminé ou encore de le mettre complètement hors service. D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, représentés à titre d'exemples non limitatifs La figure 1 est une coupe longitudinale d'une tuyère conforme à l'invention avec un manteau tubulaire après un retour de flamme ayant créé un entonnoir dans la maçonnerie. La figure 2 est une coupe axiale partielle d'un convertisseur dont le fond est garni et usé en partie. La figure 3 est une coupe axiale longitudinale d'une tuyère conforme à l'invention comportant un manteau tubulaire. La figure 4 est une vue en plan de l'embouchure d'une tuyère conforme à l'invention. En se reportant à la figure 1, on voit une tuyère constituée d'un tube à oxygène 2 et d'un tube extérieur concentrique 3 qui traverse le garnissage réfractaire 1 d'un récipient d'affinage non représenté, par exemple un fond de convertisseur ou la paroi latérale de celui-ci, ces deux tubes étant séparés par un espace annulaire 4. Cette construction en elle-meme connue est montée de manière coulissante dans un manteau tubulaire 6 épais, qui délimite un espace annulaire extérieur 5 avec le tube extérieur 3. les espaces annulaires 4, 5 sont munis de conduites distinctes 8, 7 par lesquelles ils sont approvisionnés avec le meme milieu protecteur ou avec des milieux protecteurs différents. le tube intérieur 2 à oxygène est alimenté en oxygène par une canalisation séparée, l'oxygène pouvant être chargé d'un matériau solide en poudre, notamment un formateur de laitier comme la poudre de craie. Il peut arriver que la tuyère subisse un retour de flamme en cas d'accident dans l'alimentation en milieu protecteur, un entonnoir 10 se creusant alors dans le matériau réfractaire 1. Pour pouvoir combler l'entonnoir 10, on pousse axialement les tubes 2, 3 dans le manteau tubulaire 6 à l'intérieur du récipient sensiblement jusqutau niveau supérieur de la maçonnerie environnante, dans la position représentée en traits mixtes sur la figure 1. Si la longueur des tubes est insuffisante, il reste simplement la possibilité de monter à leur place des tubes neufs de longueur suffisante. Pour empêcher la pénétration d'impuretésw l'embouchure de la tuyère est obturée par une coiffe Il qui est rejetée ou brulée à la mise en route du récipient. l'entonnoir 10 peut entre comblé jusqu'au niveau de la maçonnerie après que l'on ait poussé les tubes 2, 3 et obturé l'embouchure de la tuyère0 L'espace annulaire extérieur 5 est de ce fait perdu, car le manteau tubulaire 6 est monté de manière inamovible dans la maçonnerie réfractaire 1. Dès que la partie en cause de la maçonnerie subit un nouveau retour de flamme, l'espace annulaire 5 est à nouveau mis en service. De ce-fait il est sans importance que l'alimentation en milieu protecteur de l'espace annulaire 5 soit interrompue ou poursuivie. L'usure de la maçonnerie qui entoure les tuyères est sensiblement uniforme comme on le voit sur la figure 2 qui représente le fond d'un convertisseur, par la ligne d'usure 15 après 200 charges. Toutes les tuyères 16 sont alors poussées de la manière représentée à la figure 1 jusqu'au niveau du fond, c'est-à-dire sur la longueur de la flèche 17. Le fond est ensuite garni de matériau réfractaire, par exemple de la dolomie avec du brai comme liant, ou de la magnésie, des masses liées chimiquement ou durcies par de la céramique, jusqu'au nouveau niveau 19 du fond, On peut ainsi remettre à neuf le fond pour environ 200 charges sans devoir le changer. Dans la version représentée à la figure 3, le tube à oxygène et le tube extérieur sont entourés par deux manteaux tubulaires 25 et 26. le manteau 25 délimite avec le tube extérieur une fente annulaire 21 qui est alimentée en milieu protecteur par une conduite 23. le manteau 25 est entouré par un c8ne 20 en matériau réfractaire poreux. Entre celui-ci et le manteau tubulaire 26 également conique qui est inséré dans la maçonnerie 27, est délimitée une fente annulaire extérieure 22. L'espace annulaire entre le tube intérieur à oxygène et le tube extérieur est muni d'un masque 26 destiné à limiter le débit de la canalisation 29 en milieu protecteur. la canalisation 23 est également équipée du masque-- 28, et elle est munie d'un commutateur de pression 30 qui libère d'abord l'alimentation de 1' espace annulaire 21 par la canalisation 23 quand le milieu protecteur commence à être introduit. On empêche de la sorte que du gaz inerte ne pénètre dans l'espace annulaire extérieur 21 quand l'espace annulaire intérieur est à basse pression. le milieu de protection amené par la canalisation 23 s'écoule dans le cône poreux 20 à travers les ouvertures aména & es au pied du manteau tubulaire 25, puis à partir du cône 20, aussi bien dans l'espace annulaire extérieur 22 que par la surface frontale du cône 20o le fait que le moyen de protection sorte de la surface frontale s'est avéré favorable à la tenue du garnissage. le cône 20 comporte d1 autre part des canaux axiaux 31 parallèles pour conduire le milieu de protection introduit dans le matériau réfractaire jusqu'à la surface frontale du c8ne 20. La tuyère conforme à l'invention permet une plus grande rentabilité de l'affinage, car la rapide usure de la maçonnerie au voisinage des tuyères nécessitait constamment jusqu' à présent des changements répétés des tuyères ou du fond du convertisseur dans un convertisseur à soufflage par le fond. De plus les tuyères suivant l'invention offrent la possibilité d'installer des tubes neufs ou un cône neuf. De ce fait, un récipient muni de tuyères conformes à l'invention n'a pas besoin d'être équipé de tuyères supplémentaires, car il n'y a plus danger de chute d'une tuyère par suite d'une usure prématurée ou par suite de la formation d'un entonnoir. le nombre des tuyères peut donc correspondre exactement à la section de soufflage et à la pression de gaz d'affinage nécessaires. On peut ainsi munir un convertisseur de 200 tonnes pour l'affinage de fonte en acier de 12 tuyères suivant l'invention, dont le tube intérieur à oxygène a une paroi épaisse de 5 mm pour un diamètre intérieur de 38 mm, ce tube étant réalisé en acier dur au carbone, et étant entouré par un tube en acier doux d'une épaisseur de 2 mm avec un écartement d'l mm. le tube en acier doux est écarté d't mm d'un manteau tubulaire an acier dur qui l'entoure. les tétons et nervures visibles sur la figure 4 servent alors de pièces intercalaires. Rli)VENDICAXIONS 1. Tuyère pour l'introduction de gaz d'affinage, notamment de l'oxygène dans un récipient métallurgique au-dessous de la surface du bain, comportant un tube intérieur d'injection du gaz d'affinage dans le bain et un tube extérieur concentrique pour y injecter un milieu protecteur, caractérisée en ce que le tube intérieur et le tube extérieur sont déplaçables axialement à l'intérieur d'au moins un manteau tubulaire. 2. Tuyère conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les différents tubes précités ont des parois d'épaisseurs différentes. 3. Tuyère conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les tubes sont constitués en acier, en acier dur au carbone ou en acier résistant aux acides et aux températures élevées. 4. Tuyère conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que des intercalaires sont disposés entre les tubes. 5. Tuyère conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le tube extérieur ou un manteau tubulaire est entouré par un matériau réfractaire. 6. Tuyère conforme à la revendication 5, caractérisée en ce qu'un matériau réfractaire poreux est disposé autour de la paroi extérieure du manteau tubulaire. 7. Tuyère conforme à l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le matériau réfractaire a une configuration conique et/ou présente des canaux longitudinaux. 8. Tuyère conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que le manteau tubulaire extérieur est conforme en cône dans la direction de l'embouchure de la tuyère. 9. Tuyère conforme à l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le manteau tubulaire comporte des ouvertures. 10. Tuyère conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que des masques sont montés dans les canalisations d'amenée. 11. Tuyère conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que des commutateurs de pression sont disposés sur les canalisations d'amenée pour le milieu protecteur0 12. Procédé pour conduire 1' affinage dans un récipient comportant au moins une tuyère conforme à l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on introduit des milieux protecteurs identiques dans les différents espaces annulaires. 13. Procédé pour conduire l'affinage dans un récipient comportant au moins une tuyère conforme à 1' une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on introduit des milieux protecteurs différents dans les différents espaces annulaires. 14. Procédé conforme à l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'on pousse les tubes déplaçables jusqu'audessus du niveau de la maçonnerie qui entoure les tuyères, et en ce qu'on garnit la maçonnerie de matériau frais jusqu' à la pointe des tuyères.