Brevet FR2421216A1 — publié le 19791026

La présente invention concerne une tuyère refroidie à l'eau servant à l'introduction de vent chaud et d'additifs à l'intérieur de fours. Une telle tuyère comprend généralement une chambre annulaire ayant au moins une entrée et une sortie pour l'eau de refroidissement et elle est fabriquée en un métal ayant une bonne conductibilité de la chaleur, de préférence du cuivre ayant une très haute conductibilité. Les tuyères, qui servent a' l'insufflation du vent chaud et, de plus en plus également à l'introduction simultanée d'additifs dans les hauts fourneaux, sont en contact direct avec les zones les plus chaudes des fours. Ainsi, la région du nez de la tuyère est exposée à des températures de l'ordre de 20000C à 22000C. La transformation d'énergie dans la zone de combustion des hauts fourneaux est tellement importante qu'on doit évacuer 150-300 kcal/h par tuyère. La quantité d'eau de refroidissement nécessaire à l'évacuation de ces quantités de chaleur est de l'ordre de 20-30 m3/h, Cette eau parcourt la cavité du nez de la tuyère a' une vitesse allant jusqu'à 12 m/sec. ce qui entrasse dans cette cavité des pressions allant jusqu'à 10 2 kg/cm - La nécessité d'une aussi grande consommation d'eau de refroidissement résulte du danger de la formation d'un film de vapeur le long des surfaces d'échange de chaleur dans le cas d'une alimentation insuffisante en eau. Comme la formation d'un film de vapeur provoque une forte diminution de l'effet de refroidissement, la tuyère doit inévitablement fondre.C'est pourquoi on doit garantir un transfert thermique aussi important que possible ce qui nécessite une importante quantité d'eau de refroidissement circulant à vitesse élevée. I1 est également connu qu'un contact direct peut se produire occasionnellement entre la fonte liquide ou la scorie et la tuyère et provoque la détérioration ou même la destruction des tuyères non protégées. Les effets cités ci-devant, de même que les sollicitations thermiques, ainsi que les tensions mécaniques provoquées par la pression de l'eau de'refroidissement à l'intérieur du corps de la tuyère sont les facteurs qui sont responsables de la courte durabilité des tuyères traditionnelles. Afin d'augmenter la durabi4ité, on a développé des tuyères à double chambre de refroidissement, qui, même après une détérioration de-la cavité du nez de la tuyère, peuvent rester en place jusqu'à l'arrêt programmé du haut fourneau. Par une exécution soignée de ces tuyères à double chambre, notamment par aménagement de tous les joints de soudure en des endroits de la construction moins sollicités thermiquement, on a bien pu améliorer substantiellement la durabilité de la tuyère, mais un effet immédiat sur la durabilité du matériau lui-même nta toutefois pas pu être atteint. Afin de garantir une protection suffisante tout aussi bien au nez de la tuyère dirigé vers l'intérieur du four qu'à la surface intérieure de la tuyère sollicitée surtout par le vent chaud et par l'insufflation d'hydrocarbures et d'oxygène, on a déjà essayé tant de munir les tuyères, tout au moins dans la région du nez, d'un revêtement au chrome-nickel déposé par soudage au plasma resp. par soudage traditionnel, que de revêtir la surface intérieure de la tuyère d'un béton réfractaire. De par son adhérence insuffisante, ce dernier revêtement ne pouvait toutefois pas garantir une protection durable. En outre, étant donné sa mauvaise conductibilité de la chaleur1 le revêtement réfractaire risquait de fondre. Quand on utilise ces tuyères traditionnelles, on est forcé d'accepter l'importante consommation d'eau de refroidissement dans l'intérêt de la durabilité des tuyères, malgré les frais non négligeables qu'entrane le le traitement des eaux servant au refroidissement. Le but de la présente invention était donc de créer une tuyère qui d'un côté présente une aussi grande durabilité que possible et qui d'un autre côté permette en plus de diminuer la transmission calorifique à travers les parois de la tuyère, de façon à rendre possible une réduction de la consommation en eau de refroidissement. Ce but est atteint suivant la présente invention par le fait de munir de nervures, qui dépassent la paroi métallique et qui ont en général une hauteur uniforme, au moins les surfaces intérieures les plus sollicitées, ainsi que le nez de la tuyère et de prévoir une masse isolante et réfractaire encastrée entre les nervures. La fonction des nervures consiste à transmettre l'énergie calorifique absorbée par la couche isolante et réfractaire à l'intérieur de la paroi métallique épaisse de l'enveloppe de la tuyère I1 s'est avéré utile de concevoir les nervures de sorte que leurs extrémités soient plus larges que l'embase solidaire de l'enveloppe de la tuyère.Grâce à cette configuration en queue d'aronde des interstices entre les nervures on obtient une meilleure adhérence de la masse protectrice à la paroi de la tuyère L'écart entre les différentes nervures est en général égal au double, et jusqu'au quintuple de l'épaisseur des nervures Cet espacement des nervures s'élève de préférence à environ le quadruple de l'épaisseur moyenne des nervures sur les parois extérieure et intérieure de la tuyère et environ au double de ladite épaisseur sur la partie frontale du nez de la tuyère Cette mesure constructive a été prévue parce que la partie frontale du nez est davantage exposée aux sollicitations thermiques et qu'il faut de ce fait prendre les précautions nécessaires pour refroidir en conséquence le produit réfractaire à cet endroit Une autre caractéristique constructive consiste dans le fait que l'épaisseur de la couche de protection réfractaire de la surface extérieure et de la partie frontale du nez de la tuyère est en général identique à la hauteur des nervures L'épaisseur de l'enrobage réfractaire de la surface intérieure de la tuyère dépasse par contre la hauteu-des nervures Dans la région frontale du nez le dépassement est égal à la moitié de la hauteur des nervures tandis qu'à l'entrée de la tuyère le dépas sement de l'enrobage est égal a' la valeur totale de la hauteur des nervures I1 s'ensuit que l'épaisseur de l'enrobage augmente progressivement à partir du nez jusqu'à l'entrée de la tuyère Cette conception spéciale de la tuyère suivant la présente invention sert â réaliser un équilibre poussé des tempe ratures dans l'enveloppe de la tuyère Le nombre l'épaisseur ainsi que l'écart des nervures tant aux surfaces extérieure et intérieure qu'à la partie frontale de la tuyère sont responsables ensemble avec l'épaisseur de l'enrobage réfractaire du comporte ment du corps de la tuyère exposé à des sollicitations thermiques variables Grace à la conception particulière de la tuyère et à la conductibilité du cuivrer la quantité de chaleur particulièrement importante à la partie frontale de la tuyère est répartie de façon uniforme dans l'enveloppe de la tuyère et peut être évacuée moyennant un volume de réfrigérant relativement restreint étant donné qu'il se crée un équilibre entre les différentes zones du film calorifique parcourant la tuyère Le circuit du réfrigérant à l'intérieur de l'enveloppe d la ère consiste en général simplement en une chambre circu @ire lamelliforme dont la largeur ne dépasse habituellement pas i sixième de la longueur de la chambre du nez de la tuyère vue en coupe La distance entre la chambre de refroidissement et la -'Z as des nervures au niveau du nez est à peu près égale à la hauteur d une nervure -2es rapports des dimensions illustrent que la tuyère suivant la présente invention, peut être exploitée grâce à ses caractéristiques constructives avec des moyens de refroidissement nettement moins importants que ceux des tuyères traditionnelles où le circuit de refroidissement occupe la plus grande partie de la section de l'enveloppe creuse En effet la tuyère suivant la présente invention ne consomme que 12 m3/h d'eau de refroidissement. La vitesse de circulation de l'eau à l'intérieur de la cavité de refroidissement est de 4 m/sec. et la pression est de 10 à 12 kg/cm2. La quantité de chaleur évacuée n'est que de 100-150 kcal/h.Il en résulte un net avantage vis-à-vis des pertes calorifiques resp. du volume d'eau de refroidissement enregistrés pour les tuyères tradition- nelles os conditions uniformes de température à l'intérieur des tuyères suivant la présente invention ainsi que l'absence quasi totale de tensions mécaniques en résultant mènent à une amélioration de la durabilité. Une coupe à travers une tuyère suivant l'invention est représentée dans le dessin annexé. Une entrée d'eau ae refroidissement (1), analogue å la sortie d'eau de refroidissement non représentée dans le dessin, aboutit dans une étroite chambre de refroidissement annulaire (21 Une paroi (3) en cuivre électrolytique comporte 10 nervures (4) dont l'espacement sur les surfaces extérieures (5) et sur les surfaces intérieures (6) de la tuyère est plus grand que l'espacement sur le fronton du nez (7). L'espacement des nervures (4) sur le fronton du nez (7) est moins important que sur la surface intérieure (6) tandis que l'espacement entre les ner vures (4) sur la surface extérieure z}) est plus important que SU la surface intérieure (6). On remarque aussi que la masse de protection isolante (8) dépasse les nervures (4) de la surface intérieure (6) de la tuyère tandis qu'elle ne dépasse pas les nervures de la surface extérieure (5) et du fronton du nez (7) de la tuyère REVEND ICA T IONS 10) Tuyère refroidie à l'eau qui sert à insuffler le vent chaud et des additifs à l'intérieur d'un four qui est constituée en un métal présentant une bonne conductibilité de la chaleur, de préférence en cuivre d'une très grande conductibilité, et qui comprend au moins une chambre annulaire avec une entrée et une sortie d'eau de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle est munie au moins sur lessurfaces intérieures (6) les plus sollicitées ainsi que sur la partie frontale du nez (7) de nervures (4) qui dépassent la paroi métallique (3) et qui ont en général une hauteur uniforme et en ce qu'on prévoit une masse de protection isolante et réfractaire (8) encastrée entre les nervures (4) 20) Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les extrémités des nervures (4) sont plus larges que les embases solidaires de l'enveloppe et qu'elles délimitent un espace en forme de queue d'arondes 30) Tuyère suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'espacement entre les nervures (4) est égal au double et jusqu'au quintuple de l'épaisseur moyenne des nervu rets. 40) Tuyère suivant la revendication 3r caractérisée en ce que l'espacement entre les nervures des surfaces intérieures (5 > resp des surfaces extérieures (6) de la tuyère est égal au quadruple et du fronton du nez de la tuyère, égal au double de l'épaisseur moyenne des nervures 50) Tuyère suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de protection réfractaire (8t sur les surfaces extérieures (5) resp sur le nez (7) de la tuyère est identique à la hauteur des nervures (4) 60) Tuyère suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'enrobage réfractaire (8) sur la surface intérieure (6) dépasse dans la région du nez (7) les nervures de la moitié de leur hauteur et qu'elle dépasse, à l'entrée de la tuyère, les nervures de la valeur totale de leur hauteur. 70) Tuyère suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'enveloppe réfractaire (8) sur la surface intérieure de la tuyère (6) augmente progressivement à partir du nez (7) vers l'entrée de la tuyère. 80) Tuyère suivant l'une quelconque des. revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'une chambre de refroidissement annulaire et lamelliforme (2), servant à la circulation de l'agent de refroidissement1 est prévue à l'intérieur de 19enveloppe de la tuyère 9 ) Tuyère suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la largeur de la chambre de refroidissement (2) n'excè pas le sixième de la longurur de la chambre nasale de la tuyère en coupe 10 ) Tuyère suivant l'une quelconque des revendication@ 1 à 9, caractérisée en ce que la distance entre la chambre de refroidissement et la base des nervures est à peu près égale à la hauteur des nervures