Brevet FR2397461A1 — publié le 19790209

La présente invention a trait à l'introduction, au sein d'une masse en fusion, par exemple d'un bain d'acier, de produits finement divisés en suspension dans un gaz porteur, au moyen d'une lance d'insufflation débouchant sous la surface de la masse en fusion. Il est de pratique courante, notamment dans le domaine de l'élaboration des métaux, et de l'acier en particulier, d'utiliser des lances pour insuffler dans un bain métallique en fusion des agents réactifs destinés à modifier la composition du métal. L'exemple le plus répandu en sidérurgie est l'affinage pneumatique de la fonte par soufflage d'oxygène. Ce courant d'oxygène contient souvent en suspension des produits solides finement divisés qui participent egalement à l'affinage du métal. D'autres modes de traitement ont pour but de parachever l'affinage et sont mis en oeuvre dans des poches ou dans des fours appropries. Dans ces derniers cas, on peut souffler le courant gazeux sur le bain ; mais il est évidemment préférable de souffler dans le bain métallique. Ceci est particulièrement vrai lorsqu'on souffle, en même temps que le gaz, des poudres fines et très légères, ou des poudres réactives vis-à-vis de l'atmosphère et du bain de métal. C'est par exemple le cas lorsque l'on effectue une désulfuration avec de la poudre de magnésium en suspension dans un gaz porteur. Il s'avère quelles procédes de ce type connus jusqu'ici par le demandeur, ainsi que les lances immergées utilisées pour leur mise en oeuvre ne donnent pas entière satisfaction. Les raisons majeures d'une telle insatisfaction, raisons qui seront exposées plus en détail par la suite, consistent en des bouchages frequents de ltorifice de sortie de la lance, occasionnés par des remontées accidentelles du métal liquide qui se fige sur les parois. Le but de la presente invention est d'apporter une solution avantageuse permettant d'éviter les inconvénients précités. A cet effet l'invention a pour objet un procédé pour introduire dans une masse en fusion des produits finement divisés en suspension dans un courant gazeux, à l'aide d'une lance d'insufflation débouchant sous la surface de la masse en fusion, procédé caractérisé en ce que, dans le corps de lance, le courant gazeux est séparé en deux veines concentriques . une veine centrale chargée en produits divisés, et une veine annulaire, exempte de produits divisés, et entourant la veine centrale, et en ce que, dans la partie terminale de la lance, on rassemble les deux veines en faisant converger-la veine annulaire sur la veine centrale, tout en maintenant cette première en contact avec la paroi interieure de la lance jusqu'a lsorifice de sqrtie. L'invention a également pour objet une lance pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, Cette lance se compose de deux tubes concentriques : un tube périphérique comprenant une partie terminale à profil interne de forme tronconique et convergeant dans le sens du soufflage, et un tube intérieur place en retrait par rapport au tube périphérique. Les lances immergées, du type considéré dans le cadre de la présente invention, doivent nécessairement assurer au moins deux fonctions : d'une part, le transport pneumatique des produits pulvérulents insufflés ; d'autre part, la protection de la lance elle-même et en particulier de sa partie terminale (ou embout) immergée dans la masse en fusion. Dans les lances classiques, que l'on peut qualifier de "lances monoflux", un seul courant gazeux remplit les deux fonctions précitées. Le melange gazpoudre se fait généralement dans la partie du circuit pneumatique situee en amont de la lance, et on impose le débit désiré de gaz par une régulation de sa pression amont. On complète souvent ces dispositions en munissant la lance d'un embout tronconique convergeant dans le sens du soufflage.De cette maniere la veine gazeuse est mise en vitesse dans la partie terminale de la lance, ce qui procure d'une part une protection thermique en contribuant au refroidissement de la lance grâce au caractère endothermique du phenomene de détente pneumatique, d'autre part une protection mécanique en s'opposant à la tendance naturelle de la masse en fusion à remonter dans le corps immergé de la lance pour former des bouchages. Toutefois, notamment en régime transitoire, c'est-à-dire surtout en début de soufflage, on constate, dans le circuit de transport des poudres, des phénomènes pulsatoires inhérants au principe du transport pneumatique lui-même. L'expérience montre alors que, malgre la régulation de la pression amont, le débit gazeux, quoique constant~en moyenne, peut s'annuler momentanément à la sortie de la lance pendant une duree tres courte, de l'ordre de la demi-seconde, mais suffisante tout de même pour provoquer une remontée du bain en fusion. Celui-ci se fige alors irréversiblement sur la paroi interne de l'embout et provoque ainsi des bouchages partiels de l'orifice de la lance, responsables de la mise au rebus à courte échéance de cette derniere. Une autre cause de la destruction prématurée des lances de ce type consiste dans des effets exothermiques dus aux nombreux chocs des grains solides, entraînés à grande vitesse dans la partie terminale de la lance, contre la paroi interne de l'embout convergeant. De plus, si la poudre utilisée est réputée colmatante, comme c'est le cas du magnésium, il est à craindre des phénomènes d'accrochage des grains sur la paroi résultant de leur fusion pâteuse à leur point d'impact et conduisant, par effet d'accumulation, à des perturbations dans le fonctionnement de la lance pouvant aller jusqu'à son obstruction complète. Comme on le comprend, la présente invention consiste, dans ses caracteristiques essentielles, à séparer les deux fonctions préàlablement évoquées, ( savoir le transport pneumatique de la poudre d'une part, la protection de la lance d'autre part) et > à cet effet, à mettre en oeuvre, dans le corps de lance, deux moyens distincts assurant respectivement l'une et l'autre de ces fonctions. Ces moyens sont constitués, comme il a été dit, par le partage du courant gazeux en deux veines concentriques, respectivement centrale, contenant en suspension la poudre à insuffler, et périphérique, exempte de poudre, et assurant la protection de la lance comme cela va être explicité par la suite. Ces deux veines se confondent dans la partie terminale en faisant converger la veine périphérique sur la veine centrale jusqu'à l'orifice de sortie de la lance grâce à la forme tronconique du profil interne de l'embout. La veine annulaire constitue ainsi en quelque sorte un "lubrifiant de paroi" en formant, dans la partie terminale de la lance, un rideau gazeux empochant, ou du moins, réduisant suffisamment l'importance du phénomène d'impact des grains contre la paroi interne de l'embout pour supprimer les inconvénients précités.D'autre part, la protection thermique de la lance est conservée grâce à la détente éndothermique et à la mise en vitesse de la veine annulaire au niveau de l'embout. Il est clair qu'un autre avantage essentiel de l'invention réside dans l'atténuation du risque de bouchage par remontée et fi gage de la masse en fusion à l'intérieur de la lance. En effet, le rle de protection de cette dernière est à présent affecté au flux annulaire exempt de poudre et dont les caracteristiques d'écoulement peuvent donc, à cette fin,etre réglées, "per se", c' est-à-dire indépendamment de toute autre considé ration. il en résulte une insensibilisation de la lance au comportement du flux central porteur de poudre, et notamment aux éventuelles pulsations dont il est le siège.On comprend alors que le mélange gaz-poudre, ainsi que le transport pneumatique dans la veine centrale, nécessitent un controle moins rigoureux que dans les dispositifs à un seul flux ce qui constitue un avantage supplémentaire de la présente invention. Cette derniere sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront mieux au vu de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique annexée représentant une vue en coupe longitudinale d'une lance d'insufflation conforme à l'invention. La lance 1 est constituée d'un corps métallique 2 revetu d'un gainage réfractaire 3. Ce corps de lance 2 est composé de deux tubes concentriques, respectivement extérieur 4 et intérieur 5, définissant un conduit central 6 ainsi qu'un conduit annulaire périphérique 7. Comme on le voit, le tube exterieur 4 présente un ajutage, ou embout, 8 de forme tronconique convergeant vers le bas. D'autre part, le tube intérieur 5, de section constante sur toute sa longueur, est dispose en retrait par rapport à I'extrêmité 9 du tube exterieur, laquelle constitue ainsi l'orifice unique de sortie de la lance. En cours d'opération, la lance est immergée dans une masse en fusion à traiter, non représentée, par exemple un bain d'acier. La profondeur d'immersion peut bien entendu être variable en fonction des besoins. Par l'extrémité supérieure dalla lance on introduit un mélange gaz-poudre dans le conduit central 6 et un flux gazeux, exempt de particules solides, dans l'espace annulaire 7. Comme on le comprend aisément au vu de la figure, le flux annulaire converge sur la veine centrale au niveau de l'embout 8,tout en demeurant en permanence en contact avec la paroi interne 10 de l'embout jusqu'à l'extrêmite de sortie 9 de la lance, de manière à assurer une continuité de l'écran gazeux protecteur. De préférence, comme le montre la figure, le tube interne 5 se prolonge jusque dans I 'embout tronconique 8 de manière à provoquer une striction de la veine annulaire au voisinage de l'extrêmité de sortie.Cette striction conduit à une détente et à une mise en vitesse de la veine annulaire ; ce qui, comme il a déjà été dit, est favorable a la tenue thermique de la lance. Bien entendu, l'importance de cette striction peut être réglée de façon simple, par exemple, en prévoyant la possibilité d'un coulissement axial du tube interne 5. Il est clair que les deux courants gazeux peuvent indifféremment être de même nature ou de nature différente. De même, il n'y a pas de conditions restrictives en ce qui concerne les dimensions relatives des éléments constitutifs de la lance. Ainsi, la largeur de l'espace annulaire 7 peut être choisie librement, uniquement en fonction des caractéristiques propres du systeme pneumatique utilise, notamment de ses possibilités en pression. Il en est de même des diamètres respectifs du tube interne 5 et de l'ouverture 9, lesquels sont dans un rapport non imposé, pouvant varier de part et d'autre de l'unité selon la lance employée. L'expérience montre qu'un avantage supplémentaire de la mise en oeuvre de la lance conforme a l'invention réside dans un meilleur profil de vitesse du flux gazeux total sortant par l'orifice 9, que dans les lances à un seul flux de type connu. On constate notamment que le débit global de gaz est mieux réparti dans le plan de l'ouverture 9, puisque c'est le bord qui est mis en vitesse et non pas le centre, comme c'était le cas dans les lances classiques précitées. De plus il est à noter que le débit gazeux total, nécessaire à la bonne marche de la lance, peut être sensiblement plus faible que dans le cas des lances à un seul flux. Ceci resulte des possibilités (propres à l'invention) de réglage des caractéristiques de l'écoulement de la veine centrale, de manière à avoir un débit minimum, suffisant pour assurer l'introduction d'une quantité désirée de poudre dans la masse en fusion à traiter, et ceci sans avoi-r à tenir compte des conditions relatives à la protection de la lance. Il s'agit là d'un autre avantage de l'invention, apprécie en particulier par les utilisateurs qui, de façon générale > désirent avoir un débit de gaz le plus faible possible, pour des raisons évidentes d'économie d'une part, mais également pour des raisons de sécurité, car les risques de projection de matière en fusion hors du recipient de traitement sont ainsi diminués. La presente invention est d'application générale à toute opération nécessi tant l'immersion d'une lance d'insufflation de matériaux pulveruZents au sein d'une masse en fusion, tant en ce qui concerne la composition de cette masse à traiter, que la nature des produits pulvérulents utilises, qu'ils soient solides ou liquides, et dans le premier cas, qu'ils soient reputés colmatants ou non. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour introduire dans une masse en fusion des produits finement divisés en suspension dans un courant gazeux à l'aide d'une lance d'insufflation débouchant sous la surface de la masse en fusion par un orifice unique et carac terse en ce que, dans le corps de lance, le courant gazeux est separe en deux veines concentriques : une veine centrale chargée en produits divisés, et une veine périphérique exempte de produits divisés, et entourant la veine centrale, et en ce que dans la partie terminale de la lance on rassemble les deux veines en faisant converger la veine périphérique sur la veine centrale tout en la maintenant en contact avec la paroi interne de la lance jusqu'à l'orifice de sortie. 2 - Lance pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 carac tériséeen ce qu'elle se compose de deux tubes concentriques, le tube péripherique comprenant une partie terminale présentant un profil interne de forme tronconique et convergeant dans le sens du soufflage, et en ce que le tube intérieur est place en retrait par rapport au tube périphérique. 3 - Lance selon la revendication 2 caractériséeen ce que le tube intérieur est mobile axialement.