Brevet FR2380345A1 — publié le 19780908

La présente invention concerne des perfectionnements aux tuyères, à une ou plusieurs alimentations séparées, utilisées pour l'affinage de la fonte et destinées plus particulièrement au soufflage d'agents d'affinage au travers du fond d'un convertisseur. Ces tuyères sont essentiellement constituées d'un, ou plus généralement, de plusieurs tubes concentriqueS définissant entre eux des canaux annulaires. Le tube interne est habituellement en cuivre alors que les tubes périphériques sont eux en acier. Dans le canal central défini par le tube interne on souffle généralement un gaz oxydant vis à vis de la fonte, tel que de l'oxygène pur ou sensiblement pur, éventuellement chargé de matières affinantes telles que la chaux à l'état pulvérulent. Les différents canaux annulaires permettent d'insuffler des fluides distincts indépendamment les uns des autres et notamment un fluide protecteur, par exemple un hydrocarbure liquide ou gazeux, destiné à refroidir la tuyère.Toutefois, la combustion par l'oxygène soufflé des éléments les plus oxydables de la fonte peut conduire, au nez de la tuyère, à des températures très élevées, de l'ordre de 13000C, qui, malgré l'action protectrice du fluide refroidissant, provoquent un gauchissement du tube interne et, partant, la mise au rebut de la tuyère à plus ou moins brève échéance. Les observations effectuées par le demandeur ont montre qu'une cause majeure de ces gauchissements résidait dans des phénomènes de dilatation différentielle entre les tubes concentriques résultant, d'une part, de leur nature métallique distincte et de leurs éloignements respectifs de la zone chaude de combustion et, d'autre part, de la structure rigide de leur assemblage. Sur ce dernier point en effet, on constate que dans tous les modèles de tuyères connus, l'assemblage des différents éléments tubulaires est obtenu par des parties filetées (ou taraudées) vissées les unes aux autres. Ce mode d'assemblage conduit à un ensemble rigide qui, en plus des inconvénients précités, résiste mal aux vibrations que peut engendrer l'écoulement des fluides sous pression ; par ailleurs il est relativement coûteux en raison de l'usinage des sections filetées. En outre les opérations de démontage et remontage ne sont guère facilitées notamment en ce qui concerne les forces de serrage à appliquer aux parties vissées. La présente invention a pour but d'apporter des perfectionnements visant à prolonger la durée de vie de telles tuyères. Un but complémentaire est de fournir une technique d'assemblage rapide et simple permettant d'utiliser des éléments tubulaires d'un usinage bon marché. A cet effet la présente invention a pour objet des perfectionnements aux tuyères équipant les récipients d'affinage des métaux, et notamment de la fonte, comportant un ou plusieurs tubes concentriques définissant entre eux des canaux annulaires, perfectionnements caractérisés en ce que les tubes concentri ques intérieurs peuvent coulisser axialement indépendamment les uns des autres et en ce qu'ils comportent individuellement des moyens à action antagoniste élastique agissant selon leur axe de manière à les repousser vers l'intérieur du récipient d'affinage, et des moyens d'arrêt pour permettre leur blocage à des positions déterminées dans le sens de leur introduction dans le récipient d'affinage. Selon une réalisation préférée, les moyens à action antagoniste élastique sont constitués par des ressorts hélicoidaux concentriques travaillant en compression, individuellement sur chaque tube intérieur coulissant Conformément à une autre variante préférée, les moyens d'arrêt pour permettre un blocage des tubes intérieurs coulissants dans le sens de leur introduction dans le récipient d'affinage sont constitués par la présence sur chacun desdits tubes d'un épaulement disposés l'un en regard de l'autre et prolongés par un évasement cylindrique vers l'extérieur du récipient d'affinage. Selon une caractéristique supplémentaire, la tuyère comporte des moyens pour assurer I''étanchéité des canauxannulaires lors des déplacements longitudinaux éventuels des tubes intérieurs coulissants. Par moyen à action antagoniste élastique, on entend désigner tout organe de compression, tant mécanique (ressort) que pneumatique ou hydraulique, qui, agissant sur un tube intérieur pouvant coulisser axialement s'oppose, par sa force élastique, aux déplacements de celui-ci lorsqu'il est contraint de se mouvoir sous l'influence de forces externes, résultant par exemple de phénomènes de dilatation différentielle et tendant de façon générale à refouler ledit tube vers l'extérieur du récipient d'affinage. Cet organe de compression ramène le tube coulissant en position initiale dès que cesse l'action des forces externes. Il développe une force proportionnelle à sa propre déformation et cette force fixe l'équilibre du tube coulissant à une position qui dépend de l'intensité de l'action externe En d'autres termes le tube intérieur coulissant sur lequel agit l'organe de compression s'immobilisera lorsque la force antagoniste développée par ce dernier s'égalise avec la force externe. Comme on le comprend, la présente invention réalise donc une tuyère à un ou plusieurs tubes concentriques dont seul le tube périphérique extérieur est fixe pour des raisons de stabilité mécanique de l'ensemble et dont les tubes intérieurs, pouvant coulisser les uns dans les autres, sont soumis individuellement à l'action permanente d'un organe tendant à les compresser vers l'inté- rieur du récipient d'affinage. La position de repos de chaque tube interne est assurée par un blocage de ces derniers en direction de l'intérieur du récipient. De préférence, ce blocage s'effectue à des positions déterminées telles que les extrémités respectives des tubes concentriques se situent dans un même plan au nez de la tuyère à l'intérieur du récipient d'affinage. De cette façon, les déformations des tubes intérieurs et principalement du tube interne en cuivre (ondulation, gauchissements) généralement responsables de la mise au rebut précoce de la tuyère et causées, comme il a été dit, essentiellement par des phénomènes de dilatation différentielle entre les différents tubes concentriques, ne sont plus à craindre puisque ces derniers peuvent s'étendre vers l'extérieur du récipient d'affinage dès que les contraintes résultant de la dilatation deviennent supérieures à l'effort antagoniste exerce par l'organe de compression. Dans sa mise en oeuvre conformément a la variante préférée, l'invention présente,un autre avantage important : prévenir une détérioration accidentelle de la tuyère, et en particulier du tube interne en cuivre (moins résistant que les autres), résultant de chocs éventuels causés par la chute de matériaux solides pesants sur le nez de la tuyère lors de la phase initiale de chargement du récipient d'affinage. En effet, grâce au retrait possible du tube interne, l'énergie de tels chocs est d'abord emmagazinée par l'organe de compression puis restituée au tube interne qui reprend ainsi sa position de repos initiale par la venue en butée mécanique de son épaulement contre I1 épaulement correspondant prévu sur le tube périphérique le plus proche voisin.Par ailleurs, un avantage supplémentaire réside dans le fait que cette restitution d'énergie s'effectue lentement, sans-risques pour la tuyère, selon un processus d'amortissement hydraulique classique obtenu automatiquement grâceà l'alimentation, dans le canal annulaire entourant le tube, d'un fluide approprié à la bonne marche de l'affinage, par exemple un liquide refroidissant. En effet, au moment du retrait du tube sous l'effet du choc, cet évasement provoque une aspiration du fluide dans la chambre annulaire qui se forme entre le tube et son voisin périphérique immédiat et agit ensuite, lors du retour en position de repos, tel un piston refoulant dans le canal annulaire la quantité de fluide prealablement aspirée. Comme on aura pu s'en rendre compte, l'invention s'applique également aux tuyères à un seul tube. Dans ce cas, bien entendu, l'avantage précité, résultant d'un amortissement hydraulique, sera alors inéxistant. L'application présente néanmoins un intérêt certain par la possibilité de retrait du tube sous l'effet de chocs accidentels au nez de la tuyère. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront plus-clairement au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une tuyère conforme à l'invention comprenant deux tubes concentriques, - la figure 2 représente une demi-vueen coupe longitudinale d'une tuyère analogue à celle de la figure 1 mais comportant trois tubes concentriques, - la fifre 3 représente une demi-vue en coupe longitudinale d'une tuyère conforme à l'invention comprenant un seul tube. Sur les figures les mêmes éléments sont désignés par des références identiques. Ainsi qu'il a été dit, ces tuyères sont constituées essentiellement d'un tube interne (ou central) généralement en cuivre, ou alliage de cuivre, dans lequel est insufflé de l'oxygène, et d'au moins un tube, en acier, enveloppant le tube de cuivre en définissant avec ce dernier un canal annulaire dans lequel on injecte un fluide servant à la bonne exécution des opérations métallurgiques liquide de refroidissement dans le cas d'une tuyère à deux tubes ; fluide de dilution dans le canal annulaire intérieur et liquide de refroidissement dans le canal annulaire extérieur dans le cas d'une tuyère à trois tubes (ou triple flux) telle que représentée sur la figure 2. L'assemblage d'une tuyère conforme à l'invention pose donc un triple problème d'ordre mécanique : d'une part la fixation relative des tubes entre eux de manière à- rendre possible les déplacements axiaux des tubes intérieurs tout en assurant leur retour en position de repos après disparition des solicitations externes perturbatrices, d'autre part la fixation du tube externe sur le fond du récipient d'affinage, fixation qui évidemment doit être rigide pour assurer une stabilité mécanique satisfaisante à l'ensemble de la tuyère, et en troisième lieu, la fermeture (c'est-à-dire l'étanchéité) du ou des canaux annulaires concentriques dans leur partie amont par rapport à la direction d'introduction des agents d'affinage. De plus, l'ensemble doit être constitué d'éléments technologiquement simples permettant, via une technique d'assemblage rapide et aisée, une maintenance facile de la tuyère. En se reportant à la figure 1, on voit une tuyère conforme à l'invention traversant le fond 2 d'un convertisseur 1 équipé extérieurement d'une plaque de base ou flasque 3 servant au centrage et à l'ancrage de la tuyère comme on le verra par la suite. Pour la clarté de l'exposé, on peut décomposer par l'esprit la tuyère en deux parties distinctes remplissant des fonctions différentes : une partie A qui constitue le corps de la tuyère proprement dit et qui assure une double alimentation séparée de fluides appropriés à la bonne marche des opérations d'affinage, et une partie terminale B assurant la fonction précédemment définie comme "une action antagoniste élastique". La partie A comprend deux tubes concentriques, respectivement interne 8, en cuivre, délimitant un conduit central 6, et externe 9, en acier, définissant entre eux un espace annulaire périphérique 10. La régularité de l'espace annulaire 10 est assurée par des bossages internes 11 ménagés dans le tube externe 9. Ce dernier comporte également un raceordement latéral 12 pour l'introduction du fluide refroidissant dans l'espace annulaire 10. Comme on le voit sur la figure 1, le tube 9 comporte un épaulement conique 13 suivi d'un évasement cylindrique 14. On remarque egalement que le tube interne 8 comporte un manchon rapporté 15 en acier, conformé de façon à conférer au tube 8 un évasement cylindrique qui épouse sensiblement la forme de l'évase- ment correspondant 14. L'extrêmité aval de ce manchon (en direction du convertisseur) comporte des lumières 16 pour le passage du fluide refroidissant. Le tube interne 8 est en butée mécanique contre l'épaulement 13 du tube externe 9 par l'intermédiaire de son propre épaulement 17 de conicité correspondante constitué par les extrêmités des languettes 18 délimitant les lumières 16. Comme on le voit, le manchon 15 a une forme cylindro-conique à double étage présentant au voisinage de son épaulement 17 un diamètre légèrement plus réduit que le diamètre de ltevasement 14 de manière à ménager entre eux une chambre annulaire 37 reliée au raccord 12 et communiquant avec l'espace annulaire 10 au travers des lumières 16. Le manchon 15 comporte en outre, deux gorges annulaires équipées de joints 19 pour assurer l'étanchéité de la partie de la tuyère extérieure au convertisseur à l'égard du fluide de refroidissement lors des déplacements longitudinaux éventuels du tube interne 8. L'extrêmité du tube externe prend appui sur une embase circulaire 20 usinée dans un corps tubulaire en acier 21 enveloppant l'évasement 14 dans sa quasi-totalité et maintenu serré contre le flasque 3 par interposition d'un joint élastique 22. Le blocage du tube externe 9 est assuré par la présence d'un épaulement 23 usiné intérieurement au flasque 3 et servant de butée d'arrêt à l'épaulement correspondant 13 présent sur le tube 9. Le serrage du corps tubulaire, ou presseur, 21 contre le flasque 3 est effectué par l'intermédiaire d'une pièce 24 porteuse de deux pinces à genouillères 25, diamétralement opposées, (une seule est représentée sur la figure) dont les bras 26 s'ancrent dans des anses 27 prévues à cet effet sur le flasque 3. Lorsque les pinces 25 sont verrouillées, le porte-pince 24 par l'intermé- diaire d'un décrochement interne 28, s'appuyant sur une portée correspondante 29 usinée à la périphérie du presseur 21, agit sur ce dernier, lequel à son tour, au moyen de son embase 20 serre le tube 9 contre l'épaulement intérieur 23 du flasque. La partie d'extrêmité B est constituée d'un boitier en acier 30 équipé intérieurement d'un organe de compression 31 du tube interne 8 qui, dans l'exemple considéré, est un ressort hélicoïdal monté sur un support tubulaire 32 et prenant appui sur le fond 38 du boitier. Ce support, mobile axialement, comporte une collerette 33 prenant appui par l'intermédiaire d'une bague élastique 40 sur une collerette correspondante 34 prévue à l'extrêmité du manchon 15. Le support 32 comporte en outre un lamage 35 dans lequel prend position l'extrêmité du tube interne 8. La fixation de la partie B est assurée par deux pinces à genouillères, semblables aux pinces 25, montées sur le boitier 30 et ancrées à des pontets prévus à cet effet sur le porte-pinces 24. Ces moyens de fixation etant disposés dans un plan perpendiculaire à celui de la figure, ne sont pas représentés sur cette dernière. Afin de bien montrer la simplicité de l'assemblage on va maintenant décrire la suite des opérations à effectuer pour le montage de la tuyère. Le flasque 3 est tout d'abord fixé à demeure sur le fond 2 du récipient d'affinage au moyen d'un cordon de soudure 36. On introduit le tube externe 9 jusqu'à le faire venir en butée par son épaulement 13, contre l'épaulement correspondant 23 du flasque. Après installation du joint 22, on dispose le presseur 21 autour de la partie terminale du tube 9. Ce presseur, en raison de la présence du raccord latéral 12 sur le tube 9, est constitué de deux demies coquilles maintenues par un jonc métallique 56. Le porte-pinces 24 est ensuite emmanche sur le presseur 21 et on comprime le tout par verrcuillage des pinces 25. A l'intérieur du récipient d'affinage une collerette 4 et quelques points de soudure 5 assurent un meilleur maintien du tube 9 notamment contre les vibrations occasionnées par les écoulements des fluides d'affinage. Le tube 8 équipé de son manchon 15, est alors introduit dans le tube 9 jusqu'à le faire venir en butée contre l'épaulement 13 par son propre épaulement 14. Selon l'exemple décrit, le positionnement relatif desdits épaulement est tel que les extrêmités respectives des tubes 8 et 9, au nez de la tuyère, se situent dans un même plan. On installe ensuite la partie B en la centrant sur le prolongement extérieur du tube 8. On fixe alors cette partie B à l'ensemble déjà monté au moyen des pinces à genouillères présentes sur le boitier 30. L'alimentation périphérique du fluide de refroidissement s'effectue par le raccord tubulaire latéral 12, préalablement connecté à une source sous pression non représentée. L'oxygène est soufflé dans le tube central 8 par l'intermédiaire du support tubulaire 32 constituant un conduit étanche et équipé à sa partie terminale extérieure au boitier 30, d'un raccord 39 relié à une alimentation en gaz sous pression, également non représentée. Bien entendu, les opérations de démontage s'effectuent avec une même facilité, dans un ordre inverse de celui qui vient d'être exposé. La tuyère ainsi réalisée permet d'éviter des déformations transversales du tube interne 8 résultant notamment d'une dilatation préférentielle de ce dernier par rapport au tube externe 9 en acier. Le retrait du tube 8 compense alors l'élongation due à la dilatation dès que les contraintes longitudinales générées par cette dernière deviennent supérieures à l'effort antagoniste exercé par le ressort 31. Lors du refroidissement, le ressort 31 assure automatiquement le retour du tube 8 à sa position de repos initiale par rapprochement de l'épau- lement mâle 17 vers l'épaulement femelle 13. Comme il a déjà été dit, la tuyère se protège elle-même des risques de déterioration provenant par exemple d'un choc violent sur son extrêmité débouchant dans le fond du convertisseur. Dans ce cas, en effet, le tube interne subit d'abord un brusque retrait sous l'impulsion du choc ; il en résulte une augmentation du volume de la chambre annulaire 37, ce qui provoque un appel de fluide de refroidissement par aspiration. Après le choc, le ressort restitue l'énergie emmagazinée au tube 8 qui reprend sa position initiale par un mouvement lent occasionné par un effet d'amortissement hydraulique obtenu par le retour du manchon 15 agissant à la manière d'un piston freiné par la présence, dans la chambre annulaire 37, d'une quantité de fluide refroidissant dont l'écoulement forcé dans l'espace annulaire 10 présente des pertes de charge élevées. Comme on l'aura déjà compris, les caractéristiques du ressort doivent être déterminées, dans chaque cas d'espèce, de manière à compenser d'une part les retraits éventuels du tube interne sous effet d'un choc, d'autre part les élongations du tube interne résultant de phénomènes de dilatation. A ceci se rajoute une dernière considération : le ressort doit également pouvoir compenser la précontrainte due à la différence de pression (de l'ordre de 16 bars) qui existe habituellement entre le fluide de refroidissement et l'oxygène et qui tend par ses effets à éjecter le tube interne. Un autre avantage de l'invention par rapport aux tuyères de .type connu réside dans la bonne étanchéité qu'elle procure au niveau de la jonction convertisseur-tuyère à l'égard des fluides injectés, Bien entendu le domaine d'application de l'invention n > est pas limité par le nombre de tubes eoncentriques constitutifs de la tuyère. Pour bien le montrer on va décrire brièvement l'application de l'invention à une tuyère comportant respectivement trois tubes concentriques (fig. 2) et un tube unique (fig. 3). En se reportant à la figure 2, on voit que, par rapport à la tuyère décrite en référence à la figure 1, un tube supplémentaire 41 est disposé entre le tube interne 8 et le tube externe 9. Le tube 41 présente, comme le tube externe 9, un épaulement 42 suivi d'un évasement cylindrique 43. Cet évasement est enveloppé d'un manchon 44 analogue au manchon 15 présent sur le tube interne 8. Sa partie aval, de plus faible diamètre, définit avec le tube externe 9 une chambre annulaire 45, analogue à la chambre 37, communiquant avec le canal annulaire 46 confiné entre les deux tubes, et reliée à une alimen station non représentée en fluide, servant à l'affinage au moyen d'un raccord tubulaire similaire au raccord 12 (fig. 1). La partie amont du manchon 44 présente un diamètre sensiblement égal au diamètre interne du tube 9 de manière à pouvoir coulisser de façon étanche dans ce dernier. A cet effet des joints annulaires 47 similaires aux joints 19 sont disposés dans des gorges périphériques prévues à cet effet sur le manchon 44. Ce dernier comporte à son extrêmité amont une collerette 48 présentant un décrochement extérieur 49 servant de surface d'appui et de centrage à une collerette correspondante 50 solidaire d'une pluralité de tiges longitudinales 51 traversant des ouvertures 52 prévues dans le fond 38 du boitier 30. L'ensemble collerette 50 et tiges 51 constitue un moyen de support 53 du ressort 54 qui le compresse sur la collerette 48 par l'intermédiaire d'une bague élastique 55, similaire à la bague 40. A la différence du support tubulaire 32, servant de conduit d'introduction d'agent d'affinage dans le canal central, le support 53 n'a aucune fonction de ce type, aussi n'est il pas nécessaire qu'il soit étanche. On comprend alors qu'une technologie simple, telle que proposée cidessus, pour le support 53 est bien adaptée à sa fonction. En se reportant enfin à la figure 3 représentant une tuyère mono tube conforme à l'invention, on constate une simplification technologique importante par rapport aux tuyères décrites en référence aux figures précédentes.Avec le ou les tubes périphériques 9 et 41, ont disparu également le presseur 21 et le porte-pince 24 ainsi que toutes les dispositions techniques assurant l'alimentation périphérique de fluide et le coulissement étanche des tubes entre eux (figures 1 et 2). Comme le montre la figure 3, le boitier 30 est cette fois fixé rigidement au flasque 3 au moyen de pinces à genouillères 25' identiques aux pinces 25 servant dans les exemples précédents au serrage du tube externe. De même le manchon 15 ne présente plus une conformation cylindro-conique à double étage et les bagues d'étanchéité ont disparu. Sa fonction est simplifiée elle consiste d'une part à assurer l'arrêt du tube 8 vers l'intérieur du récipient d'affinage au moyen de son épaulement 17 venant en butée mécanique contre l'épaulement femelle 23 usiné intérieurement au flasque 3 et d'autre part à présenter, grâce à sa collerette d'extrêmité 34, une surface d'appui au support tubulaire 32 du ressort 31. Le mode de fonctionnement des dispositifs décrits en référence aux figures 2 et 3 ainsi que les déplacements respectifs de leurs organes constitutifs ont été clairement explicités en regard de la figure 1 et il serait superflu de les reprendre ici. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits. Ainsi on peut concevoir une tuyère à tubes concentriques parfaitement cylindriques sur toute leur longueur, donc démunis de leur épaulement et évasement cylindriques respectifs. Le blocage des tubes interieur dans leur position de repos est alors obtenu par exemple au moyen d'une butée circulaire solidaire du pourtour des tubes interieur 8 (fig. 1 et 2) disposée en-tout endroit approprié, notamment entre le presseur 21 et le boitier 30 et s'appuyant, sous l'effet du ressort 31 (et 54), contre la surface extérieure de l'embase 20. Toutefois dans ce cas on ne bénéficie plus de l'effet d'amortissement hydraulique lors d'un choc au nez de la tuyère. De plus, le problème de l'étan- chéité des canaux annulaires semble alors imparfaitement resolu. De même on peut substituer au boitier à ressort 30 de nombreux équivalents techniques dans la mesure où ils assurent une "action antagoniste élastique" ainsi on peut faire usage de moyens pneumatiques tel qu'une chambre fermée, sous atmosphère contrôlée, et dont le volume est susceptible de variations sous l'effort provoqué par les déplacements axiaux des tubes interieurs. On peut également opter pour des moyens hydrauliques, par exemple, une chambre en communication avec un réservoir extérieur sous pression variable, asservie aux déplacements des tubes. Cependant, selon le demandeur, l'option "mecanique" représente le choix le plus satisfaisant, tant sur le plan de la qualité des résultats que sur celui de la réalisation pratique de la tuyère. REVENDICATIONS 1 - Perfectionnements aux tuyères équipant les récipients d'affinage des métaux et notamment de la fonte comportant un ou plusieurs tubes concentriques définissant entre eux des canaux annulaires permettant des alimentations séparées d'agents d'affinage distincts, caractérisés en ce que les tubes concentriques intérieurs peuvent coulisser axialement indépendamment les uns des autres et en ce qu'ils comportent individuellement des moyens à action antagoniste élastique agissant selon leur axe de manière à les repousser vers l'intérieur du récipient d'affinage et des moyens pour permettre leur blocage dans le sens de leur introduction dans ledit récipient. 2 - Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisés en ce que les moyens à action antagoniste élastique sont constitués par des ressorts hélicoi- daux concentriques de même axe que les tubes intérieurs sur lesquels ils agissent individuellement en compression. 3 - Perfectionnements selon les revendications 1 ou 2 caractérisés en ce que les moyens permettant le blocage des tubes coulissant vers l'intérieur du récipient d'affinage sont constitués par la présence sur chacun desdits tubes, d'un épaulement, disppsé l'un en regard de l'autre et prolongé par un évasement cylindrique vers l'extérieur du récipient d'affinage.