Brevet FR2233563A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne une lance de pulvérisation de combustibles liquides, en particulier d'huile lourde, lance munie d'un répartiteur rotatif du combustible amené à la tête de lance. De telles lances sont mises en oeuvre dans la technique sidérurgique dans différents buts, par exemple pour amener de la chaleur au chargement métallique solide et/ou liquide lors de la réduction de celui-ci en acier dans un convertisseur (brevet autrichien n" 220 174) ou pour insuffler des combustibles dans la tuyère d'un four à cuve, en particulier d'un haut- fourneau, la lance à combustible débouchant latéralement dans la tuyère sous un angle incliné par rapport à l'axe de symétrie de celle-ci. (brevet autrichien 236 999). Il est apparu que les disppsitifs répartiteurs prévus sur ou dans la te te de lance pour répartir en particules très fines le combustible liquide ne remplissaient qu'insuffisamment leur fonction. Il se forme des écheveaux continus du combustible liquide, lesquels doivent d'abord être décomposés par le comburant (air, oxygene pur). Cet inconvénient se produit lors de l'adjonction de mazout (huile lourde) dans un haut fourneau du fait que l'on ne peut obtenir qu'une combustion incomplète, ce qui conduit å la formation de noir de fumée. Dans les hauts fourneaux, on ne peut donc remplacer par de l'huile lourde qu'une quantité de coke relativement faible et il n'est pas possible d'accrottre au-dessus d'un chiffre déterminé, exprimé en kg/t de fonte, la quantité spécifique de mazout. Pour résoudre ce problème, il est proposé, dans la demande de brevet allemand publiée après examen nQ 2 051 676, d'employer une lance dans laquelle le mazout est injecté radialement sous forme de jets dans le courant de vent, à une vitesse de sortie telle que le mazout est réparti jusqu'au voisinage de la paroi intérieurede tuyère.Selon une autre proposition décrite-dans la demande de brevet allemand publiée sans examen nO 2 120 803 les axes des alésages à travers lesquels sort le mazout, doivent être dirigés obliquement en sens contraire du vent. Pour améliorer la pulvérisation, il a aussi été proposé dtinsuffler une émulsion d'eau dans l'huile lourde, ayant une part d'huile de 85 à 97X en volume, le reste d'eau, sous une surpression d'au moins 10 atmosphères, de préférence de 40 à 50atmospbms (demandedebrevet allemand publiée sans examen nO 2 121- 241), ou aussi de mélanger à cette huile de la vapeur d'eau dans une proportion allant jusqu'à 15Z en poids (demande de brevet allemand publiée après-examen nO 2 051 676). Il a été établi que les jets de mazout dirigés radialement et en sens contraire du sens du venttn'apFxtent aucune amélioration, ce qui parait compréhensible si l'on considère que le diamètre des tuyères est relativement petit dans les hauts fourneaux. Les jets d'huile lourde pénètrent jusque sur la paroi dë tuyère, le partage, précédemment produit, en gouttelettes étant à nouveau supprimé. L'addition d'eau ou de vapeur d'eau est, à vrai dire, favorable en soi à la pulvérisation du mazout; cependant les propositions connues ne permettent aucun accroissement de la quantité spécifique d'huile lourde, parce que la pulvérisation mécanique du courant d'huile dans la section transversale relativement petite des tuyères de haut fourneau n'a pu encore jusqu'à présent, être résolue de façon satisfaisante. L'invention s'occupe de ce problème, elle a pour-objectif de réaliser une lance qui estslmple et de fonctionnement sflr pour bien pulvériser mécaniquement le combustible liquide et.qui,même pour de fortes variations des quantités d'huile lourde débitées, doit assurer une désintégration du combustible liquide en un courant uniforme de gouttelettes, de telle sorte que le rendement de la combustion puisse être considérablement accru tuque de plus grandes quantités de mazout par tonne de fonte puissent être débitées. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint du fait que le dispositif répartiteur se composé d'un corps giratoire qui présente des surfaces directrices hélicofdales à paroi mince et est fixé à un anneau qui l'entoure et est monté de façon à- pouvoir tourner pàr rapport à la te te de lance dans un évidement de la paroi de la te te de lance, en ayant un jeu axial et un Jeu.radial. Pour pouvoir, rapidement le cas échéant, remplacer le corps giratoire ou l'échanger contre un corps de forme différente, on prévoit du coté de la tête de lance, une surface d'appui-pour l'anneau, constituée par un anneau de retenue (de type Seeger) amovible et flexible élastiquement dans le sens radial. Le corps giratoire tourne en raison de la pression du combustible liquide agissant sur ses surfaces directrices hélicoídales, le courant de combustible sortant à travers la lance étant uniformément et finement décomposé. Etant donné que pour une section transversale constante de la lance à combustible, il faut accroStre la pression pour augmenter la quantité de combustible, la pression exercée sur les surfaces directrices s'accroit dans la même proportion, de telle sorte que la vitesse de rotation du corps giratoire s'adapte automatiquement à des modifications des conditions d'exploitation et que la pulvérisation se trouve uniformisée. On peut encore améliorer la pulvérisation mécanique du combustible liquide du fait qu'au centre, à l'intérieur de la lance, est disposée une conduite tubulaire d'amenée d'un moyen de pulvérisation, tel que de l'air comprimé, de la vapeur d'eau surchauffée, etc. , conduite qui, le cas échéant, se termine un peu en amont du corps giratoire. De cette manière, se trouve améliorée l'action du moyen de pulvérisation. En cas d'emploi d'air comprimé réchauffé ou de vapeur d'eau surchauffée, aucun refroidissement ne peut se produire, etl'effet d'expansion, lors de la sortie hors de la conduite s'applique en totalité dans la zone de rotation du corps giratoire. Dans des iances-de section transversale assez grande, le corps giratoire peut aussi être relié à un corps en forme de tige ou de tube qui est disposé dans l'axe de lance et qui peut tourner autourde son axe longitudinal grâce à une commande électro-mécanique, pneumatique àu hydraulique. Une commande mécanique du corps giratoire a l'avantage de permettre de régler la vitesse de rotation indépendamment de la quantité de combustible débitée et de la pression de combustible, ce qui est particulièrement avantageux, en cas de faibles débits ou de faibles pressions, pout s'opposer à une dégradation de l'effet dé pulvérisation, dégradation à prévoir dans ce cas. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, description se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue latérale du corps giratoire situé dans la lance con-forme à l'invention, lance qui est elle-même figurée en coupe, et - la figure 2 représente une coupe longitudinale de la tuyère d'un haut fourneau, en amont de laquelle une lance, conforme à l'invention, est montée dans le tube de tuyère. S;r la figure 1, la référence 1 désigne l'extrémité d'une lance à mazout, qui est située du cOté de l'embouchure, et dont la tête 2 présente un évidement annulaire 3 destiné à recevoir un anneau 4. A l'intérieur de l'anneau 4 est fixé un corps giratoire hélicordal 5 constitué par une toile mince ayant, par exemple, de 0,5 à 1 mm d'épaisseur et se développant en forme d'hélice. Son extension en largeur correspond à peu près au diamètre d-'ouverture libre de l'anneau 4. Le corps giratoire 5 est brasé ou soudé au côté intérieur de l'anneau 4 qui l'entoure. A sa partie supérieure le corps giratoire se termine en deux ailes 6 et 7 qui constituent des surfaces directrices pour le mazout.Elles sont inclinées d'environ 45 par rapport à l'axe de lance.Bien entendu, on peut aussi utiliser un corps giratoire de forme différente, par exemple une vis sans fin à plusieurs pas, ou bien, il peut aussi y avoir plus de deux ailes, ayant aussi une pente différente. Dans un autre évidement 8 de la tête de lance est inséré un anneau de retenue Zu type Seeger) 9 qui constitue une surface d'appui pour l'anneau 4. La référence 10 désigne l'ouverture nécessaire pour varier, dans le sens périphérique, l'anneau de retenue (lors de son montage et de son démontage) etla référence 19 désigne les alésages d'insertion d'un outil correspondant (par exemple d'une pince).Entre l'anneau 4 et l'anneau de retenue9, on prévoit un jeu b axial a de 1 à 3 mm et, par rapport à la paroi de lance, un jeu radial 2 de 1 à 5mm, de telle sorte que le corps giratoire 5 peut tourner librement quand la pression radiale, produitesur le corps giratoire 5 et sur les ailes 6, 7 par le courant de mazout dont le sens d'écoulement est indiqué par les flèches 11, est supérieure au frottement existant entre les anneaux 4 et 9. Le mazout est centrifugé hors de la tête de lance 2, dans le sens des flèches 12, par rotation du corps giratoire et forme un c8ne de projection dont le contour-est représenté à peu près par les lignes en tirets 13. Le sens de rotation du corps giratoire 5 est représenté par une flèche 14. Pour garantir que toute la quantité de mazout se décompose le plus uniformément possible, il est avantageux de faire approcher la hauteur H2 de la tete de lance 2 jusqu'à environ plus des 2/3 de la longueur- de dépassement H1 du corps giratoire 5 au-dessus de l'anneau de retenue 9. Des essais pratiques, effectués avec une lance à- mazout représentée sur la figure 1 ont donné de bons résultats, en particulier, la densité de gouttelettes, vue sur la section transversale du cane de projection 13, est très uniforme de telle sorte que lLon obtient avec le vent de haut fourneau une combustion uniforme et rapide. En particulier, dans des lances à diamètre intérieur et à débit relativementgrands, on peut aussi prévoir au centre, dans le sens de l'axe, un tube 15 d'amenée de vapeur d'eau, d'air comprimé, ou d'un autre fluide gazeux de pulvérisation. Ce tube 15 est représenté en tirets sur la figure 1. Il est brasé ou soudé au corps giratoire 5, ce qui est figuré par le cordon de soudure 16. On peut faire tourner le tube 1S par une commande disposée à l'extérieur de la lance 1, de telle sorte que la vitesse de rotation du corps giratoire 5 soit réglable dans de larges limites indépendamment de la quantité de mazout débitée.Mais le tube 15 peut aussi être monté à poste fixe à l'intérieur de la lance 1, de telle sorte que son embouche se trouve à une certaine distance du corps giratoire 5, qui, dans ce cas, n'est mis en rotation que par le courant de mazout. Le fluide de pulvérisation affluant dans le sens de la flèche 17 et s'échappant dans le sens de la flèche 18 favorise, d'un double point de vue, lteffet de répartition du corps giratoire 5, à savoirtpar lreffet d'expansion et par la pression du fluide de pulvérisation, pression exercée sur le corps giratoire 5 et sur les ailes 6, 7. La figure 2 représente la position de montage d'une lance 1 conforme à l'invention, position dans laquelle se met en action un corps giratoire à paroi mince 5 qui est mQ par un courant de mazout à une pression de 3 à 3,5 atmosphères, mesurée en amont de la tête de lance 2, et à une température de 1000C. La section transversale libre située entre le corps giratoire 5 et anneau 4 portant celui-ci, section permettant le passage du mazout, correspond environ à un cercle de 6 à 10 mm de diamètre, ce qui correspond à une quantité de mazout amenée de 500 l/h pour une pression d'air de 1,5 atmosphère, une température de vent de 11000C et-une quantité de vent de 6500 m3 1h mesurée dans les conditions normales.La tuyère 20 refroidie à l'eau a un diamètre D = 150 mm et le tube de tuyère 21, ayant un revêtement extérieur réfractaire, présente un diamètre d'ouverture libre de 190 mm. La tête de lance 2 se trouve à une distance A de 700 mm de l'embouchure de la tuyère 20, et la lance 1 est inclinée par rapport à l'axe de tuyère 22 sous un angle de 20 à 250. Le vent chaud, dont le sens d'écoulement est indiqué par les flèches 23, dévie le courant de gouttelettes 24 sortant de la lance à mazout 1, de telle sorte qu'un contact avec la paroi intérieure de la tuyère 20 est évité et qu'une combustion complète se produit dans le haut fourneau, combustion dont le contour intérieur est désigné par la référence 25. Par la lance à mazout conforme à l'invention, la quantité de mazout insufflée qui, par les dispositifs connus ne s'élevait qu'à environ 70 à 80 kgXt de fonte, est montée à plus de 100 kglt de fonte. Il est avantageux d'équiper la lance d'une conduite d'amenée de vapeur, de telle sorte qu'en cas d'interruption de l'arrivée de mazout, la lance puisse êtra balayée et refroidiepardelavapeur. Dans ce cas, il est avantageux de reporter le raccord de vapeur au voisinage du raccord d'huile, c'est-à-dire à l'extérieur du tube de tuyère 21, de manière à pouvoir renoncer à la conduite particulière 15 représentée sur la figure 1. On peut aussi amener au corps giratoire 5, dans le sens des flèches 11, un mélange de mazout et de vapeur d'eau ou Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au mode de réalisation qui vient d'entre décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Lance de pulvérisation de combustibles liquides, en particulier d'huile lourde, munie d'un dispositif rotatif répartiteur du liquide amené à la tête de lance, caractérisée en ce que le dispositif répartiteur se compose d'un corps giratoire qui présente des surfaces directrices hélicoidales- à paroi mince et est fixé à un anneau qui l'entoure et est monté de façon à pouvoir tourner par rapport à la tete de lance dans un évidement de la paroi de la tête de lance, en présentant un jeu axial et un jeu radial. 2. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une surface d'appui pour l'anneau, surface située du cté de la tête de lance, et constituée par un anneau de retenue (anneau de Seeger) amovible et flexible élastiquement dans le sens radial. 3. Lance selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au centre, à l'intérieur de la lance, est disposée une conduite tubulaire d'amenée d'un moyen de pulvérisation, comme de l'air comprimé, delta vapeur. d'eau surchauffée, etc., conduitequi, le cas échéant, se termine un peu én amont du corps giratoire. 4. Lance selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce que le corps giratoire est relié à un corps en forme de tige ou de tube, disposé dans l'axe de lance, corps qui peut tourner autour de son axe longitudinal grâce à une commande électromécaniques pneumatique ou hydraulique.