Brevet FR2406669A1 — publié le 19790518

La présente invention a trait aux lances d'insufflation d'agents gazeux, éventuellement chargés de produits pulvérulents, dans un liquide porté a haute température, notamment dans une masse métallique en fusion, par exemple de l'acier. Elle concerne plus precisemment des perfectionnements aux lances d'insufflation dites "immergeables", c' est-à-dire destinées a être plongées, au moins partiellement, dans la masse en fusion. Les lances d'insufflation du type considéré sont generalement constituees d'au moins un tube presentant une bonne résistance mecanique, par exemple en acier relié a l'une de ses extrémités a une source sous pression de gaz à insuffler, et débouchant à l'autre extrêmite, ou partie terminale, sous la surface de la masse en fusion. Ce tube est entouré extérieurement, au moins dans sa portion immergeable, d'un revêtement réfractaire protecteur qui se prolonge habituellement jusqu'au niveau de l'orifice de sortie. Dans les lances les plus récentes, il est courant de conferer à la partie terminale, tout au moins sur une partie substantielle de sa longueur, un profil interne de forme tronconique, convergeant dans le sens du soufflage.Le profil externe demeure inchangé, ou converge lui aussi, mais de maniere plus atténuée que le profil interne. Cette forme géométrique particulière du profil interne de la partie terminale présente certains avantages relatifs à la fois au transport pneumatique des agents insuffles et à la tenue thermique de la lance. Néanmoins, il s'avère que les lances immergeables connues jusqu'ici par le demandeur, quelle que soit la forme de leur profil interne, ne donnent pas entière satisfaction, en particulier en ce qui concerne la résistance a l'usure de la partie terminale du tube. On constate en effet une détérioration rapide de la portion du tube en contact direct avec le métal en fusion, c'est-à-dire de la surface annulaire définissant l'orifice de sortie, surface dénommée par la suite "surface frontale1,. Pour y remédier, les mesures usuelles consistent essentiellement à doter la partie terminale d'un embout, generalement rapporte, en matériau présentant, outre les qualités habituellement requises, une bonne résistance aux hautes temperatures, par exemple en acier réfractaire ou en céramique (BF. 2 315 544). On comprend que de telles dispositions ne sont pas sans affecter le prix de revient des lances, qui dans le domaine technique considéré, ne sauraient être assimilées à des produits de faible consommation. Le but de la presente invention est de proposer une autre solution en vue d'améliorer la durabilité des lances immergeables tout en permettant de réaliser une économie substantielle par rapport aux solutions connues. A cet effet, l'invention a pour objet des perfectionnements aux lances d'insufflation immergeables dans un bain porté à haute température, notamment dans une masse métallique en fusion, comprenant au moins un tube revêtu extérieurement d'un materiau réfractaire au moins sur sa portion immergeable et comportant une partie terminale dont l'extrémité presente une surface frontale, en contact direct avec le bain, ayant une largeur substantiellement plus faible que dans la pratique habituelle. Selon une caracteristique de l'invention, la largeur de la surface frontale n'excède pas 5 mn. Conformément à une disposition préférée, la largeur de la surface frontale est voisine de 3 mm. Conformément à une variante avantageuse, la partie terminale de la lance présente, sur au moins une partie de sa longueur un profil interne de forme tronconique convergeant dans le sens du soufflage. Comme on le comprend, la présente invention consiste donc, dans sa carac éristique essentielle, à réduire l'épaisseur du tube au niveau de son extrêmite de sortie, et ceci à l'encontre de la pratique habituelle qui consiste au contraire à l'augmenter pour atteindre couramment des valeurs de l'ordre de 8 à 15 mm. Il doit être précisé que cette réduction peut s'entendre sous plusieurs formes : il peut s'agir d'abord d'une diminution directement observable par rapport à l'épaisseur que présente le tube dans sa partie supérieure. Mais il peut s'agir aussi d'une diminution d'épaisseur qui apparaît par comparaison avec les tubes des lances habituelles. Ce cas se présente lorsqu'on opte pour un tube d'épaisseur constante sur toute sa longueur mais dont l'épaisseur est substantiellement plus faible que celle couramment adoptée. Il doit être egalement noté que l'invention, à l'origine, est moins le fruit d'une démarche volontaire et planifiée à dessin, mais bien plus, celui d'une prise de conscience fortuite de la part du demandeur, consécutive à des observations nombreuses et étalées dans le temps, dont le cumul a révélé, non sans surprise, l'existence d'une correlation entre l'amélioration de la tenue des lances et la réduction de l'épaisseur du tube à son extrémité de sortie. Des essais ultérieurs, motivés en ce sens, ont alors montré que, dans des conditions normales de soufflage, la diminution de l'usure atteignait un palier pour des epaisseurs de l'ordre de 5 mm, et que, dans une fourchette assez large de réglage des paramètres de soufflage, cette valeur était ramenee à environ 3 mm. En deça de ces valeurs donc, l'amélioration de la tenue des lances n'est plus guère sensible. Il ressort de ce qui précède qu'un avantage appréciable de l'invention par rapport aux solutions connues précédemment évoquees, consiste à pouvoir faire usage de tubes dont la partie terminale demeure en acier ordinaire sans craindre pour autant une détérioration rapide. L'invention portant essentiellement sur des aspects de structure et de dimensionnement, une manière simple et opportune pour l'expliciter clairement réside dans une description comparative entre une lance conforme à l'invention et une lance de type usuel. L'invention sera donc bien comprise et d'autres aspects apparaîtront mieux au vu de la description qui suit donnee en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles - la figure 1 illustre un type connu de lance immergeable, empruntée au brevet français 2.315.544, - la figure 2 représente une lance immergeable conforme à l'invention. Sur les deux figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques. Les lances immergeables, qu'elles soient de type connu (fig. 1), ou conforme à l'invention (fig. 2), sont constituées essentiellement d'un tube d'acier 1 relié à son extrémité supérieure à une canalisation de transport 2 qui est branchée à un réservoir sous pression (non represente) de façon que le tube 1 reçoive de la canalisation 2 un courant gazeux éventuellement chargé en produits pulvérulents. L'autre extrêmité, ou partie terminale 3, constituant avantageusement un embout démontable du tube, comme le montre en 4 la figure 2, est destinée à être plongée au sein d'une masse en fusion, également non représentée. Comme on le voit sur les deux figures, le tube en acier 1 est revêtu extérieurement, et au moins dans sa portion immergeable, par une enveloppe en materiau réfractaire 5 qui s'étend jusqu'au niveau de l'orifice de sortie 6 de lance de manière que I'extrêmité du tube ne fasse pas saillie à la surface du réfractaire. La partie terminale 3 présente une surface interne 7 à profil tronconique convergeant dans le sens du soufflage. Il est indifférent, dans le contexte de l'invention, que ce profil interne tronconique se prolonge jusqu'a l'orifice de sortie 6 ou ne concerne qu'une portion de la longueur de la partie terminale 3, le complément 8 etant par exemple cylindrique comme le montre la figure 1. La presence même partielle d'un profil tronconique est cependant avantageuse, au voisinage immédiat de l'orifice de sortie. La mise en vitesse nécessaire du courant gazeux insufflé n'a lieu que dans la partie terminale de la lance, permettant ainsi de reduire substantiellement les pertes de charge par rapport aux lances de type plus ancien dont le conduit central présentait un diametre constant tout le long du tube. Par contre, le profil de la surface externe 9 du tube 1, dans le cas des lances connues, demeure inchangé sur toute sa longueur ou converge, mais tres légèrement, en bout de la partie terminale 3, en conservant en amont une portion cylindrique 12, comme on peut s'en rendre compte au vu de la figure 1. Toutefois l'angle de convergence du profil externe 9 (noté ) restant inferieur à l'angle de convergence du profil interne 7 (note cr), il en résulte globalement un épaississement de la paroi du tube entre le début et la fin de la partie terminale 3 dans le sens du soufflage.Cette observation demeure verifiée même dans le cas d'une présence éventuelle, à la suite de la portion tronconique, d'une portion complémentaire à profil cylindrique 8, car cette dernière reste en général de longueur faible, du moins suffisamment faible pour que l'effet de rétrecissement lié à la forme légèrement tronconique de la surface externe 9, soit prépondérant. Pour tenir compte des variétés possibles de conformation des profils (interne ou externe) de la partie terminale, on entend par "angle de convergen ce" du profil considéré, l'angle formé, dans un plan axial, entre l'axe 11 de la lance et la droite reliant les points extrêmes de la partie terminale. Cette dernière autant, bien entendu, définie comme la portion du tube 1 située entre l'extrémité de sortie 6 et l'endroit où s'initie le profil interne convergent. Par exemple, sur la figure 1 l'ange de convergence ss du profil externe est l'angle formé par l'intersection de l'axe 11 et de la droite passant par les points extrêmes extérieurs A et B. De même l'angle de convergence interne a prend en compte la droite passant par les points externes intérieurs C et D. Bien entendu, ces considérations sont transposables à la lance, conforme à l'invention, représentée sur la figure 2 - points A', B', C' et D'. Comme on peut le constater au vu de cette figure, la lance conforme à l'invention se distingue de ses homologues antérieurs (figure I) par une réduction substantielle de l'épaisseur du tube 1 au niveau de son extrémité de sortie 6, ou, en d'autres termes, par une diminution de la largeur de la surface frontale, référencée en 10. Dans le cas des lances à profil interne convergent, telles que décrites ici, on peut définir l'invention par la caractéristique distinctive suivante l'angle de convergence du profil interne 7 reste inférieur (ou, à la limite, égal) à l'angle de convergence du profil externe 9 (a' s ') alors qu'on observe le contraire dans le cas des lances connues (a > Le cas CL' = ' se présente, on l'aura compris, lorsque le tube 1 présente à l'origine une épaisseur suffisamment reduite sans qu'il soit nécessaire de l'amincir encore dans sa partie terminale. On va maintenant essayer d'expliquer le mécanisme d'action des moyens de l'invention. Deux mécanismes peuvent être envisagés, le premier étant d'ordre purement thermique. En cours d'utilisation, la protection thermique de la surface interne 7 de la partie terminale est assurée, comme évoque précédemment, par le passage à grande vitesse, c'est-à-dire avec un bon coefficient de convection, d'un courant gazeux insufflé resté froid. L'apport de calories à la partie terminale se fait par les surfaces extérieures au nombre de deux : une surface laterale 9 et une surface frontale 10. La surface laterale 9 reçoit les calories par l'intermé- du aire du revêtement refractaire 5, et demeure de ce fait à des temperatures acceptables, c'est-à-dire n'entraînant pas de risques de détérioration d'origine thermique.La surface frontale 10, par contre, est fortement sollicitee, puisqu'elle reçoit des calories directement de la masse en fusion. On constate une usure rapide, en forme de cratere, qui s'initie à la périphérie de la surface frontale et se poursuit de poche en proche jusqu'à rendre la lance inutilisable à court terme. L'opération en cours doit alors être interrompue prématurément pour permettre le remplacement de la lance, où dans le meilleur cas, de la partie terminale, si l'on dispose d'une lance à embout interchangeable (fig. 2). La densité de flux y entre la surface interne 7, refroidie par le courant gazeux et la surface frontale 10 est donnée par la relation bien connue A åa e où X represente la conductibite moyenne du tube aux températures prévalentes, (en kcal/m/h/ C), Av représente la différence de température (en oC) entre les surfaces considérées, et e représente la distance (en m) parcourue le long des lignes de courant pour la transmission de la chaleur entre les deux surfaces précitees. On voit immédiatement que l'échange thermique est d'autant meilleur que l'on considère la densité de flux en des endroits de la surface frontale 10 qui se rapprochent de l'axe 11 de la lance, car dans ce sens, on diminue e. Il apparaît donc qu'une diminution de la largeur de la surface frontale 10 va dans le sens d'une meilleure protection thermique de cette dernière. Le second mecanisme est essentiellement d'ordre hydrodynamique et prend en considération l'influence du jet de soufflage dans le bain. Il ne fait plus de doute actuellement qu'un jet gazeux pénétrant dans une masse liquide au moyen d'une lance immergée provoque autour de l'orifice de sortie de la lance une zone tourbillonnaire essentiellement gazeuse que l'on peut de ce fait qualifier de "bulle annulaire et dont la presence à pour effet d'éloigner la masse liquide du nez de la lance. La taille de cette bulle depend de l'impulsion du jet au moment de sa pénétration dans le bain. Ainsi, dans le cadre de l'invention, on comprend que l'importance relative de cette bulle et de la surface frontale conditionnera l'importance du contact direct entre cette dernière et la masse en fusion, et par conséquent, la protection de la lance. Il est probable qu'aucun de ces mécanismes n'intervient seul mais que l'effet de protection est assuré par une combinaison des deux. De toute façon, il va de soi que, face à la complexité des phénomènes reels intervenant, il ne peut s'agir que d'une explication incomplète des modes d'action des moyens de l'invention supposés prépondérants par le demandeur. Une telle explication est uniquement destinée à éclairer l'utilisateur et à partir de là, à lui permettre ou lui suggérer une réalisation optimale de l'invention en fonction de ses propres souhaits ou nécessités. En tous cas, il est clair qu'on ne saurait prejuger, par ce qui precede, de la validité de l'invention. Il est clair également que l'invention ne saurait se limiter aux exemples decrits tant en ce qui concerne les indications chiffres que la forme du profil interne de la partie terminale. C'est ainsi que l'invention s'étend à toute lance d'insufflation immergeable, indépendamment de la présence, ou non, d'un profil interne convergent. De même l'invention n'est pas limite par un type de soufflage particulier, et recouvre de ce fait tant les lances à un seul tube, dites "lance monoflux" (voir les figures) que les lances à plusieurs tubes coaxiaux, généralement deux, couramment désignées par "lances double flux". REVENDICATIONS 1 - Perfectionnements aux lances d'insufflation immergeables dans un bain porte à haute température, notamment une masse métallique en fusion, comprenant au moins un tube revêtu exterieurement d'un matériau refractaire au moins sur sa portion immergeable, caractérisé en ce que la surface frontale de la partie terminale, en contact direct avec la masse en fusion, présente une largeur substantiellement plus faible que dans la pratique habituelle. 2 - Perfectionnements selon la revendication 1 destinés aux lances comportant une partie terminale presentant sur au moins une partie de sa longueur un profil interne tronconique convergent dans le sens du soufflage et caractérisé en ce que ladite partie terminale presente, sur au moins une partie de sa longueur, un profil externe tronconique, convergent dans le sens du soufflage avec un angle au moins egal à l'angle de convergence du profil interne, de sorte que l'épaisseur de la paroi du tube, dans sa partie terminale, va globalement en se reduisant dans le sens du soufflage. 3 - Perfectionnement selon la revendication 1 ou 2 caractérise en ce que la largeur de la surface frontale en contact direct avec la masse en fusion n' excède pas 5 mm. 4 - Perfectionnement selon la revendication 3 caractérisé en ce que la largeur de la surface frontale est voisine de 3 mm.