Brevet FR2412614A1 — publié le 19790720

La présente invention a trait à l'élaboration des métaux. Elle concerne plus particulièrement des perfectionnements aux injecteurs d'agents d'affinage dans une masse métallique en fusion. On sait, par exemple, que dans le domaine de l'affinage pneumatique de la fonte par le fond du convertisseur, l'évolution des techniques de soufflage vers l'emploi de l'oxygène pur ou sensiblement pur, a conduit conjointement à l'adoption de mesures préventives destinees à ralentir la vitesse d'usure des injecteurs, plus couramment dénommées "tuyeres d'affinage". L'une d'entre elles vise à-éviter les risques "d'amorçage" c'est à dire l'oxydation rapide et autre entretenue de l'extrêmité du tube par lequel est soufflé l'oxygène. Une autre mesure, complementairedebla première, vise à protéger la tuyere contre un échauffement prohibitif au moyen d'un courant de fluide refroidissant entourant le courant d'oxygène central. La première mesure citée consiste généralement à faire usage d'un tube en matériau approprié, tel que le cuivre, ou plus rarement, à conserver un tube en acier, mais dont la surface intérieure est alors séparée du courant d'oxygène par un revêtement inerte (brevet U.S. Steel Garry). La seconde mesure évoquée consiste à ménager autour du tube précité un espace annulaire périphérique pour le passage du fluide protecteur. Le tube en question joue ainsi une double fonction, à savoir premièrement un rôle d'organe de séparation entre l'oxygène central et le fluide de protection, ce qui permet d'avoir deux circuits d'alimentation coaxiaux independants, et deuxièmement un rôle d'échangeur de chaleur par transmission longitudinale des calories depuis la partie chaude de la tuyère, correspondant à son extrêmite de sortie soumise au rayonnement intense de la masse en fusion, jusqu'à sa paroi latérale- refroi- die par contact avec la veine de fluide protecteur. A cet égard, il est clair que cet élement de séparation doit presenter, outre des propriétés permettant d'éviter des phénomènes d'amorçage, des qualités de bon conducteur de la chaleur. Là encore on sait qu'un matériau tel que le cuivre convient parfaitement. Par ailleurs, il est également connu que le fluide protecteur peut être, dans les conditions opératoires, à l'état gazeux ou liquide, et plus récemment, un gaz liquéfié tel que l'anhydride carbonique ou des corps à tres basse température d'évaporation comme l'argon ou l'oxygène (demande de brevet français 76/28247 et 76/26439). Toutefois, même dans ses développements les plus récents, la technique d'affinage pneumatique à l'oxygène soufflé par le fond ne demeure qu'imparfaitement capable de juguler de façon satisfaisante les phénomènes d'usure des injecteurs et gagnerait à être perfectionnée sur ce point. La présente invention a précisément pour but d'apporter ùne solution permettant de réduire substantiellement la vitesse d'usure des injecteurs et d'augmenter de ce fait, leur durabilité. A cet effet, l'invention a pour objet des perfectionnements aux injecteurs d'agents d'affinage dans une masse métallique en fusion, présentant au moins deux circuits d'alimentation coaxiaux indépendants : un circuit central pour le soufflage d'un agent d'affinage fortement oxydant, qui peut être de l'oxygène pur, ou sensiblement pur, et un circuit annulaire périphérique pour le passage d'un fluide protecteur. Ces perfectionnements consistent à séparer les deux circuits précités par un élément tubulaire composite, de structure feuilletée, constitué par au moins deux tubes concentriques : un tube métallique presentant une bonne conductivité thermique comme le cuivre, et un tube en matériau réfractaire et isolant de la chaleur. Dans une realisation préférée de l'invention, l'organe de séparation des deux circuits est constitué par trois tubes concentriques jointifs : un tube isolant de la chaleur interposé entre deux tubes métalliques bons conducteurs de la chaleur. L'invention a egalement pour objet un procédé de fabrication de l'organe de séparation constitué par une paroi en matériau réfractaire et isolant insére entre deux parois métalliques, caractérise en ce qu'il consiste à disposer concentriquement deux tubes métalliques de façon non jointive de manière a ménager entre eux un espace annulaire -; à remplir cet espace par un matériau réfractaire isolant de la chaleur ; à étirer par laminage l'ensemble ainsi réalisé jusqu'à obtenir un diamètre et une épaisseur de tubes désirés. Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'invention consiste, dans ses caractéristiques essentielles, à séparer dans le corps de l'injecteur, les deux circuits d'alimentation entre eux, à savoir le circuit central d'oxygene et le circuit périphérique d'agent protecteur, non plus par un simple tube métallique comme dans la pratique habituelle, mais par un tube composite, -de structure feuilletée présentant à la fois une action conductrice de la chaleur dans la direction longitudinale et une action isolante de la chaleur dans la direction transversale. I1 peut paraître paradoxal à première vue de réaliser le tube separateur par l'association de parois tubulaires concentriques dont les fonctions respectives, sur le plan thermique, sont apparemment contradictoires. En fait, il n'en est rien. Les experiences menées par le demandeur, sur un convertisseur d'essais à soufflage par le fond, ont montré en effet que si la présence d'un tube bon conducteur de la chaleur, comme le cuivre, était nécessaire pour permettre un bon refroidissement de la tuyère, l'échange thermique entre ce tube et le fluide protecteur se localisait cependant dans une zone terminale de quelques centimètres seulement de long (4 à 5 cm environ) à partir de l'extré- mité de sortie de la tuyère. I1 va de soi, dans ce cas, qu'on a avantage à préserver au mieux le pouvoir refroidissant du fluide protecteur dans le corps de la tuyère, jusque dans cette zone terminale-d'echanges On comprend par ailleurs qu'une dégradation prématurée de ce pouvoir peut être causée, en amont de la dite zone (dans le sens du soufflage) par un echauffement du fluide protecteur par échange de calories avec le courant d'oxygène central au travers du tube.En effet,cephénomène apparait quelle que soit la nature ou la composition du fluide protecteur, dans la mesure ou celui-ci est utilisé à une température inférieure à celle de l'oxygène central, laquelle se situe à environ 0 C Toutefois, cet echauffement s'intensifiant bien entendu avec l'écart entre ces températures respectives, il sera moins marque pour un fluide protecteur gazeux ou liquide à l'état naturel, que dans le cas de gaz liquéfies comme le C02 liquide et notamment de substances cryogéniques telles que l'argon ou l'azote liquides. Des essais de soufflage " vide", c'est-à-dire en l'absence de bain metaltallique à affiner dans le convertisseur, ont été effectués avec de l'argon liquide. Ces essais ont montré en effet qu'une partie substantielle de l'argon injecté ressortait à l'état gazeux de la tuyère, ce qui, comme on le sait, dégradeconsidérablement son pouvoir refroidissant, donc la durabilité de la tuyère Cependant, même dans le cas d'un fluide protecteur utilise dans- son etat naturel (gazeux ou liquide), il n'est pas sans ntéret de le preserver d'un échauffement parasite causé par le courant central.En effet, l'espace annulaire dans lequel circule le fluide protecteur est généralement réalisé au moyen d'un tube en acier centré autour du tube interne en cuivre. Dès lors, même si l'échauf- fement parasite du fluide protecteur a peu d'influence sur le refroidissement global du tube interne en cuivre,puisque celui-ci est refroidi à la fois par le fluide protecteur et par le courant d'oxygène central, il n'en est plus de même pour le tube extérieur en acier, lequel est uniquement refroidi par le fluide de protection. L'expérience confirme bien qu'en général c'est l'extrêmité du tube extérieur qui s'use le plus rapidement. Conformément à l'invention, les.moyens mis en oeuvre pour juguler ce transfert parasite de calories entre le courant d'oxygene central et la veine annulaire de fluide protecteur sont à la fois simples et efficaces, à savoir l'adjonction au tube séparateur preexistant d'un tube supplémentaire en materiau isolant de la chaleur Bien entendu, pour résister convenablement aux fortes sollicitations thermiques prêvalentes au nez de l'injecteur, ce matériau isolant doit également présenter des qualités de réfractaire.Le materiau en question peut par exemple être un beton réfractaire ou de la mullite ou un thermoplastique qui adhère facilement au tube métallique, ou même un tube métallique mais à condition qu'il soit mauvais conducteur de la chaleur par rapport au tube préexistant, par exemple un tube d'acier réfractaire, ou tout autre substance appropriée que l'on trouvera aisément dans le commerce. De même ces tubes doivent etre jointifs pour des raisons évidentes d'une part de tenue mecanique et d'autre part pour eviter une infiltration accidentelle entre eux de métal liquide, ce qui irait à l'encontre du résultat recherché. Il est clair que l'invention est independante de l'agencement relatif des deux tubes : le tube isolant peut indifféremment constituer un manchon extérieur ou un revêtement intérieur à l'égard du tube métallique. Dans le second cas on comprend que, les risques d'amorçages etant nettement amoindris, on peut en principe envisager l'option d'un tube métallique de type courant, par exemple un tube en acier ordinaire. Toutefois pour assurer un refroidissement efficace de l'injecteur, il demeure souhaitable de faire usage d'un tube bon conducteur de la chaleur comme le cuivre. Comme il a déjà été dit, une variante préferée de l'invention consiste à réaliser la séparation entre le courant central et annulaire par trois tubes concentriques : deux tubes métalliques bons conducteurs de la chaleur, notamment en cuivre, confinant latéralement de part et d'autre un tube en matériau isolant de la chaleur ou du moins meilleur isolant que les deux tubes latéraux. Ce tube intermédiaire peut être - soit métallique, par exemple en acier de préférence réfractaire, - soit un isolant préformé que 1 'on trouve aisément dans le commerce, sous forme de tissu, par exemple de l'amiante, des fibres réfractaires à base de zircone, d'alumine et/ou de silice, ou même du papier-carton. - soit un réfractaire en poudre, par exemple un béton, du coulis de mullite, de la magnésie, un sable lié organiquement ou tout autre matériau approprié, que l'on compacte par recalibrage des tubes latéraux. On va maintenant décrire, à titre uniquement illustratif, une tuyère conforme à l'invention destinée au soufflage d'agents d'affinage au travers du fond d'un convertisseur. Cette description se fera en référence à la figure unique annexee représentant une vue en section droite d'une tuyère d'affinage équipée d'un élement de séparation constitué par trois tubes concentriques. La tuyère 1 équipe le fond d'un convertisseur dont le revêtement réfractaire est representé en 2. Elle est constituée essentiellement de deux élements tubulaires concentriques : un tube exterieur en acier 3 et l'organe interieur de separation 4, qui sera décrit plus en détail par la suite. L'organe tubulaire intérieur 4 définit un conduit central 5 par lequel est insufflé de l'oxygène pur dans le convertisseur. Cet organe est centré à l'intérieur du tube 3 par des nervures longitudinales 6 définissant un espace annulaire 7 pour le passage du fluide de protection.Comme on le voit, l'organe 4, dont la fonction est de séparer les-deux circuits d'alimentation précités, est de structure feuilletée, Dans l'exemple décrit, il est constitué de trois tubes concentriques jointifs, à savoir un tube 8, en materiau isolant de la chaleur, par exemple de la magnésie, ce tube étant inséré entre deux tubes métalliques9 et 10. Ces deux tubes doivent présenter une bonne conductivité thermique. Le tube interne 9, étant en contact avec le courant central d'oxygène, doit en plus présenter des propriétés telles qu'il n'occasionne pas des phénomènes damorçages à son extrêmité de sortie.On a déjà dit qu'un materiau tel que le cuivre répond de façon satisfaisante à de telles nécessités. Pour des raisons de simplicité, on peut choisir un tube externe 10 de même nature que le tube interne. Cependant, les températures des deux tubes 9 et 10 étant différents, il peut être avantageux d'utiliser des materiaux à coefficients de dilatations respectifs tels que les deux tubes se déforment à chaud de la même façon. Il doit être noté que, par rapport à leur diamètre respectif, l'épaisseur des tubes 8, 9 et 10 ont été volontairement exagérées. En réalité, l'organe de séparation 4 présente une épaisseur globale de l'ordre de 3 à 4 mm qui se répartit en 1 mm pour chacun des tubes métalliques 9 et 10 et 1 à 2 mm pour le tube isolant intermédiaire. Dans l'exemple considéré, le fluide de protection est un gaz liquéfié injecte sous pression. Selon les dispositions habituelles en l'espèce, par exemple telles qu'indiquées dans les demandes de brevets français n" 77/01672 et 77/11372, la largeur de l'espace annulaire 7 (donc la hauteur des nervures 6) ne dépasse pas quelques dixièmes de illimetres. Comme il a éte dit, et conformément à un autre objet de l'invention, on fabrique l'élément tubulaire intérieur 4 en disposant concentriquement, et de façon non jointive, les deux tubes métalliques 9 et 10 dont les épaisseurs initiales sont supérieures à celles désirées, on remplit l'espace ainsi ménagé entre les deux tubes par du refractaire sous forme de particules divisées et on étire le tout par laminage jusqu'à obtenir les dimensions voulues. Le materiau réfractaire utilise se fritte facilement a basse température, au besoin, par adjonction d'un liant. Il va de soi que la presente invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, tant en ce qui concerne les dimensions des différents organes constitutifs de la tuyère, que le nombre d'alimentation séparées en agents d'affinage distincts, et que la nature de ces agents. De même, c'est par souci de clarté que la description précédente s'est réferée essentiellement aux tuyères équipant le fond d'un convertisseur. Il doit être compris cependant qu'elle s'adresse de la même façon à d'autres appareils de même fonction mais dont la destination est dif férente, par exemple les lances immergees utilisées notamment dans les fours électriques à arcs, etc... et de façon générale à tout injecteur d'agent d'affinage fortement oxydant destiné à être, sinon immergé, du moins placé à proximité suffi- sante de la masse en fusion à traiter pour que sa durabilité puisse en êtreaffectèe REVENDICATIONS 1 - Perfectionnements aux injecteurs d'agents d'affinage dans une masse metallique en fusion, - présentant au moins deux circuits d'alimentation coaxiaux indépendants : un circuit central pour le soufflage d'un gaz d'affinage fortement oxydant qui peut être de l'oxygène pur ou sensiblement pur, et un circuit annulaire périphérique pour le passage d'un fluide de protection, perfectionnements caractérisés en ce qu'ils consistent à séparer ces deux circuits par un élément tubulaire composite, de structure feuilletée, constitue par au moins deux tubes concentriques jointifs . un tube métallique présentant une bonne conductivité thermique et un tube en matériau présentant, au moins par rapport au précédent, des proprietés d'isolant de la chaleur. 2 - Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisés en ce que le tube isolant est un materiau thermo-plastique. 3 - Perfectionnements selon la revendication 1 caractérises en ce que l'élément de separation des deux circuits est constitué par trois tubes concentriques jointifs : un tube isolant de la chaleur, interposé entre deux tubes métalliques bons conducteurs de la chaleur. 4 - Perfectionnements selon 1 'une quelconque des revendications précédentes caractérises en ce que le, ou les,, tubes bons conducteurs de la chaleur sont en cuivre. 5 - Perfectionnements selon les revendication 1 ou 3 , et 4, caractérisés en ce que le tube isolant est en acier. 6 - Perfectionnements selon les revendications 3 ou 4 caractérisés en ce que le tube isolant est un produit préformé. 7 - Perfectionnements selon la revendication 6 caractérisés en ce que ledit produit est compris dans le groupe formé par du tissu d'amiante, du carton et des fibres réfractaires telles que de la zircone, de l'alumine, de la silice, ou un melange des trois. 8 - Perfectionnements selon les revendications 3 ou 4 caractérisés en ce que le tube isolant est un réfractaire en poudre fritte ou lié. 9 - Perfectionnements selon la revendication 8 caractérisé en ce que le tube réfractaire est en magnésie. 10 - Procede de fabrication de l'élément tubulaire de séparation conforme aux revendication 3 et 8 caractérisé en ce que - on dispose concentriquement et de façon non jointive deux tubes métal- liques bons conducteurs de la chaleur de manière à ménager entre eux un espace annulaire, - on remplit ledit espace par un matériau réfractaire isolant, sous forme de particules divisées, qui se fritte facilement à basse température. - et on étire l'ensemble ainsi réalise par laminage jusqu'à-obtenir un diamètre et une épaisseur désirée dudit élément.