Brevet FR2432552A1 — publié le 19800229

La présente invention a trait à l'insufflation, au sein d'une masse en fusion, par exemple un bain d'acier ou de fonte, de produits finement divisés, au moyen d'une lance d'injection débouchant profondément sous'la surface de la masse en fusion. On sait que l'évolution des techniques d'insufflation de poudres vers l'injection en profondeur à l'aide de lances fortement immergées (1,5- à 3 m) a fait apparaître des contraintes nouvelles et spécifiques, inhérentes à la fois aux conditions opératoires et au transport pneumatique. On sait également, grâce aux travaux antérieurs du demandeur, que l'utilisation de lances à deux'flux concentriques, dénommées "lances immergées à double flux" permet une pratique satisfaisante dans ces difficiles conditions de fonctionnement. Toutefois, des progres peuvent encore être réalisés, et c'est le but de la présente invention que d'y contribuer. A cette effet, l'invention a pour objet une lance immergee pour l'insufflation en profondeur de produits pulvérulents dans une masse en fusion, lance du type à double flux, caractérisée en ce que son orifice de sortie presente un diamètre voisin de celui de l'orifice de sortie du tube interne et en ce que la distance séparant ces deux orifices entre eux est voisine du diamètre de l'ori- fice de sortie de la lance. De préférence, le tube interne est muni à son extrémité de sortie d'une busette présentant un profil interne tronconique convergeant dans le sens du soufflage. De préférence encore le tube externe présente salement à son extremité de sortie une buse à profil interne tronconique convergeant dans le sens du soufflage. L'insufflation de poudres dans une masse en fusion à l'aide de lances immergées impose au courant gazeux au moins deux fonctions : d'une part le transport pneumatique des produits pulvérulents, d'autre paPt la protection de la partie terminale de la lance en contact avec la masse en fusion, cette protection consistant essentiellement equilibrer la pression ferrostatique pour empêcher toute remontée de métal liquide qui, en se figeant sur la paroi interne, conduirait inéluctablement à la mise hors d'usage de la lance. On sait que si un seul courant gazeux doit remplir simultanément ces deux fonctions, comme c'est le cas de la plupart des lances existantes dites "à simple flux" on se heurte à des difficultés dues notamment à des remontees accidentelles de métal liquide consécutives à un régime pulsatoire du transport pneumatique (BF nO 2.315.544). Ces inconvénients sont évités avec les lances "double flux" dont la technologie particulière permet de dissocier le courant gazeux en deux flux concen triques distincts remplissant respectivement l'une ou l'autre des fonctions précitées : le flux intérieur, ou central, est charge de poudre et assure le transport pneumatique ; le flux annulaire est exempt de produits pulverulents et assure la protection de la lance. A cet effet, la lance est constituée essentiellement par deux tubes concentriques définissant entre eux un passage annulaire. De plus le tube interne est en retrait par rapport au tube externe de manière à réaliser une partie terminale de circuit qui soit commune aux deux flux. De cette façon, l'écoulement du flux annulaire, exempt de poudre, peut être réglé independamment de toute autre considération relative au transport pneumatique. 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. Les essais ont montré que, malgré l'option du type "double flux", une cause de détérioration des lances demeurait, à savoir des bouchagerde la partie terminale commune, résultant, non plus de remontées de metal liquide, mais de dépôts de poudre, en particulier lors du soufflage de poudre colmatante, comme le magnésium. Le demandeur s'est aperçu que ces bouchages avaient vraisemblable- ment pour origine les chocs de particules solides contre la paroi interne de la partie terminale. Ces chocs répétes conduisent à un collage des particules et, par effet d'accumulation, à l'obstruction complète du passage.Les recherches effectuees en vue de remédier à cette difficulte, responsable d'une mise au rebut precoce de I'extremité de sortie des lances, ont révélé qu'il est nécessaire, en premier lieu, que le passage de la partie terminale ne soit pas inférieur à l'orifice de sortie du tube interne, sinon le et central chargé en particules rencontre necessairement la paroi interne de la partie terminale et le phénomène de bouchage s'amorce. Ce passage ne doit pas non plus être trop grand, auquel cas le débit du flux annulaire serait tel qu'il pourrait occasionner des projections de métal liquide hors du recipient ou se fait l'injection. Conformément à l'invention, ce passage présente une ouverture au moins aussi grande, et de préférence égale à celle de l'extrémité du tube interne. Selon les cas, l'égalité peut être possible ou irréalisable. L'egalité est irréalisable, on le comprend bien, lorsqu'on utilise un tube externe cylindrique sur toute sa longueur. Dans ce cas, l'épaisseur du tube interne, et la présence nécessaire de l'espace annulaire, aussi faible soit-il, impose que l'on ait une ouverture de la partie terminale supérieure à l'ouverture du tube interne. L'egalite est par contre possible si l'on utilise, comme cela se fait habituellement pour les lances "mono-flux", un tube externe muni à son extrémité d'une buse tronconique convergeant dans le sens du soufflage. Il est clair dans ce cas que les contraintes technologiques précédentes disparaissent et le critère d'égalite precité peut être satisfait. Par ailleurs, le régime d'écoulement dans le tube interne étant subsonique, le jet central chargé de poudre reste cylindrique sur une certaine distance, après quoi il diverge, conformement aux règles bien connues de la mécanique des fluides. Il est à noter que le flux annulaire ne peut que retarder une telle expansion radiale du jet central, mais non pas l'empêcher. Il apparaît donc que la rencontre des particules contre la paroi de la partie terminale commune dépend non seulement de l'ouverture relative des extrémités des deux tubes, mais encore de la longueur de cette partie terminale, et que le risque de choc est d'autant plus faible que cette longueur est réduite. A la limite, on conçoit que la probabilité de choc serait nulle si la partie commune n'existait pas.En fait, on ne peut mener séparément les deux flux concentriques jusqu'à l'extré- mite de sortie de la lance, comme on le fait par exemple pour les tuyères d'affinage équipant le fond d'un convertisseur sidérurgique, car le débit gazeux de l'écoulement central étant faible, du moins insuffisant pour équilibrer la pression ferrostatique en cet endroit, le métal liquide remonterait inévitablement à I'intérieur du tube interne. Il faut donc preserver une partie terminale commune, la plus courte possible, mais suffisante tout de même pour que, sous la seule action du flux annulaire, le métal ne risque pas de remonter.Les essais effectués ont montré que, conformement à l'invention, de bons résultats sont obtenus lorsque la partie terminale commune présenteune longueur voisine du diametre de l'orifice de sortie de la lance. Par ailleurs la longueur de la partie commune influe sur le bon fonctionnement de la lance non seulement à-l'égard des conditions opératoires (colmatage par dépôt de poudre) mais encore à l'égard des contraintes propres au transport pneumatique. Il apparaît en effet que plus cette partie commune est importante, plus on se rapproche d'un écoulement de type "mono-flux", avec les inconvénients bien connus qui s'y attachent, et notamment la nécessité d'une pression accrue au niveau de la source d'alimentation en gaz. Dans le cas des lancw "mono-flux", il est connu (BF nO 2.315.544) de pouvoir réduire cette pression en ne mettant la poudre en vitesse qu'au dernier moment, c'est-à-dire dans la partie terminale. C'est là le roule essentiel de la buse tronconique qui prolonge le tube. Comme on l'a vu, dans le cadre de la présente invention, un autre avantage de la presence d'une buse tronconique à l'extrémité du tube externe réside dans le fait qu'elle permet de réaliser l'égalité entre les ouvertures respectives de l'extrémité de la lance (c'est-adire du tube externe) et de I'extrmité du tube interne. Par ailleurs, pour les mêmes raisons que celles precedemment invoquées, il est également souhaitable que la poudre soit mise en vitesse le plus tard possible dans le tube interné. A cet effet, on peut prévoir, conformémént à une variante de réalisation de l'invention, la présence à l'extrémité du tube interne,. d'une busette de forme tronconique convergeant dans le sens du soufflage. L'invention sera bien comprise et d'autresaspects et avantages apparattront plus clairement au vu de la description qui suit donnee en référence aux planches de figures annexées sur lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une lance conforme à l'invention, - la figure 2 représente une coupe longitudinale d'une forme de realisation préférée. Sur les deux figures, les mêmes éléments sont désignes par des références identiques. Sur les deux figures, on a représente en 1 une lance constituée d'un corps metallique 2 revêtu d'un gainage refractaire 3 au moins sur la partie immergea ble. Le corps de lance 2 est composé de deux tubes concentriques, respectivement exterieur 4 et intérieur 5, définissant un conduit central 6 ainsi qu'un conduit annulaire périphérique 7. Ce dernier est fermé à son extrémité superieure au moyen d'un flasque annulaire 8 vissé dans l'extrémité superieure taraudée du tube 2 et pressentant une ouverture centrale pour le passage du tube interne 5. Ce tube interne est relié à un distributeur de poudre non représenté alimentant le conduit interne 6 dans le sens de soufflage indique par la flèche verticale. Le tube extérieur4 présente une ouverture latérale 9 pour mettre en communication le passage annulaire 7 avec une source de gaz sous pression egalement non représentée. La flèche horizontale indique le sens d'introduction du gaz dans l'espace annulaire 7. Comme on le voit, le tube interne 5 est place en retrait par rapport au tube externe 4. Cette disposition permet de réaliser une partie terminale 10 commune au flux central et au flux annulaire. Les diamètres des orifices de sortie du tube interne 5 et du tube externe 4 (ou de la lance) sont désignés respectivement par les références d et D. La distance séparant ces deux ouvertures, c'est-à-dire la longueur de la partie terminale commune 10, est désignée par la lettre L. En- se reportant plus précisément à la figure 1, on voit que les deux tubes concentriques 4 et 5 sont parfaitement cylindriques sur toute leur longueur. Dans ce cas, on a nécessairement D > d, la différence étant égale à 2 fois la somme de l'épaisseur du tube 5 et de la largeur de l'espace annulaire 7. Par ailleurs, selon une caractéristique de l'invention, la longueur L est voisine de D (L et D sont sensiblement égales sur la figure). A titre illustratif, le demandeur indique qu'il a réalisé une lance de ce type avec les cotations suivantes : D = 10 mm, d = 8 mm, L = 13 mm (ces proportions ne sont pas respectees sur la figure). En se reportant maintenant à la figure 2, on voit que l'extrémité de la lance présente une conformation geometrique differente de celle de la figure précédente. Les deux tubes concentriques 4 et 5 présentent chacun à leur extrémité inférieure un embout à profil interne tronconique convergeant dans le sens du soufflage. Pour les différencier selon le tube qu'ils prolongent, on désigne l'embout 11 par le terme "buse" et l'embout 12 par le terme "busette". Comme on le voit, ces deux embouts sont rapportés par vissage à l'extrémité de leur tube respectif. Cette disposition permet de faciliter leur remplacement en cas de besoin.On peut se rendre compte facilement au vu de la figure que cette forme de realisation presente l'avantage, par rapport à la réalisation précédente, de pouvoir rendre égales les grandeurs d et D. Le demandeur a réalisé plusieurs lances de ce type et toutes ont donné satisfaction. A titre indicatif, l'une d'entre elles présente les cotations suivantes : d = D = 9 mm > ; = 10 mn'.. Il va de soi que la présente invention en saurait se limiter aux exemples décrits. On peut ainsi envisager d'autres formes de réalisation intermédiaires à celles représentées respectivement sur chacune des deux figures, par exempTe - une lance comportant une buse convergeante, mais dont la busette serait absente, - ou une lance comportant une busette mais, cette fois, ne comportant pas de buse. Par ailleurs, les indications chiffrées n'ont aucun caractère restrictif. Les caractéristiques de 7"invention demeurent en effet valables quel que soit le type ou le format de lance utilisé, en particulier pour les lances immergées employés en sidérurgie dans les poches à acier ou à fonte et dont l'orifice de .l'extremlté de sortie présente en général un diamètre compris entre 5 et 30 mm environ De toute façon, quelle que soit la valeur choisie pour D dans la plage indiquée ci-dessus, on obtient de bons résultats avec une grandeur L choisie entre 10 et 20 mm environ, et de préférence voisine de 15 mm. REVENDICATIONS 1. Lance immergée pour l'insufflation en profondeur de produits puvéru- lents dans une masse en fusion, notamment de l'acier, ou de la fonte, lance du type "a double flux" caractérisée en ce que les diamètres respectifs de l'extré- mité de sortie du tube externe et du tube interne se trouvent dans un rapport voisin de l'unité, et en ce que la longueur de la partie commune aux deux flux est voisine du diamètre de l'orifice de sortie du tube externe. 2. Lance immergée selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'orifice de sortie du tube extérieur présente un diamètre compris entre 5 et 30 mm. 3. Lance immergée selon la revendication 2, caractérisée en ce que la longueur de la partie commune aux deux flux présente une valeur comprise entre 10 et 20 mm. 4. Lance immergée selon la revendication 3, caractérisée en ce que la longueur de la partie commune aux deux flux présente une valeur voisine de 15 mm. 5. Lance immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tube interne présente à son extrémité une busette de profil interne tronconique convergeant dans le sens du soufflage. 6. Lance immergée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tube extérieur présente à son extrémité une buse de profil interne tronconique convergeant dans le sens du soufflage.