Brevet FR2496699A1 — publié le 19820625

LANCE DE SOUFFLAGE DE GAZ OXYDANT, NOTAMMENT D'OXYGENE, POUR LE TRAITEMENT DES METAUX EN FUSION La présente invention concerne une lance de soufflage de gaz oxydant, notamment d'oxygène, destinée à être placée au-dessus d'un bain de métal en fusion dans un creuset en vue d'un traitement métallurgique, en particulier au-dessus d'un bain de fonte en vue de son affinage en acier. Plus précisément, l'invention se rapporte aux lances dont le nez comporte, en plus des ouvertures principales habituelles débouchant sur la face frontale de l'embout et servant pour le soufflage d'oxygène sous forme de jets à forte impulsion pour l'affinage proprement dit (oxydation des impuretés du bain métallique), des ouvertures annexes (ou secondaires) pour le soufflage d'un courant d'oxygène à faible vitesse destiné à améliorer le taux de combustion secondaire des gaz d'affinage, On rappelle que le "nez" de la lance constitue l'extrémité par laquelle sort l'oxygène d'affinage en direction du bain. En général, le "nez" est une pièce creuse en cuivre, rapportée en bout du corps de lance. On rappelle également que l'on entend par "face frontale" la partie du nez tournée en regard du bain métallique contenu dans le creuset. Il est rappelé par ailleurs que le taux de combustion secondaire traduit la proportion de CO2 dans les gaz de réaction, ce CO2 étant obtenu par oxydation du CO qui se dégage du bain métallique suite à la décarbura- tion de ce dernier par l'oxygène d'affinage. Des lances polyvalentes de ce type existent déjà. Toutefois, des progrès sont encore possibles, tant sur le plan de l'augmentation de la combustion secondaire des gaz de réaction que sur celui de la durabilité des nez de lance.- Tels sont les buts de la présente invention. A cet effet, l'invention a pour objet une lance de soufflage de gaz oxydant, notamment d'oxygène, pour l'affinage des métaux en fusion, en particulier d'un bain de fonte, dont le nez de lance comporte deux catégo- ries d'ouvertures: des ouvertures principales débouchant sur la face frontale du nez et servant pour l'insufflation d'oxygène à forte impulsion et au moins une ouverture annexe pour le soufflage d'un courant d'oxygène à faible vitesse, lance caractérisée en ce que l'ouverture annexe présente une conformation annulaire entourant à distance l'ensemble formé par les ouvertures principales et en ce que ladite ouverture annexe débouche sur la face frontale du nez de lance. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'ouverture annexe 39 entoure les ouvertures principales à une distance comprise entre 2 et 20 cm environ, comptée de bord à bord. L'idée-mère à la base de l'invention consiste, comme on l'aura sans doute déjà compris, à créer dès la sortie de lance, ou du moins le plus tôt possible après la sortie, une nappe continue d'oxygène qui s'épanouit en forme de "parapluie" autour des jets principaux en se dirigeant vers le bain métallique. Pour celà, il est judicieux que les ouvertures secondaires se présen- tent non pas sous la forme d'orifices circulaires, mais au contraire sous la forme de fentes plus ou moins allongées, disposées annulairement autour des ouvertures principales, les unes à la suite des autres de façon à tendre vers -ou même à réaliser- une fente annulaire unique. L'invention résulte des considérations essentielles suivantes Pour obtenir un taux de combustion secondaire élevé, il faut que le ou les courants d'oxygène qui créent l'atmosphère oxydante nécessaire soient, dès l'origine, c'est-à-dire le plus tôt possible après la sortie de la lance, non pas confinés en jets localisés sur l'axe des ouvertures, mais au contraire diffusés latéralement le plus largement possible. Les jets se réunissent alors à faible distance de la lance pour former rapidement une nappe gazeuse conique, centrée sur le nez de la lance et qui encercle les jets principaux en recouvrant le bain métallique à distance. Dans ces conditions, on forme au-dessus de celui-ci un écran d'oxygène que le CO se dégageant du bain doit obligatoirement traverser. Par ailleurs, il a pu être constaté que pratiquement tous les nez de - lance connus s'usent préférentiellement entre les ouvertures principales et ceci malgré les efforts réalisés pour améliorer l'efficacité de leur refroidissement par circulation d'eau interne. Grâce à leurs travaux de recherche, les inventeurs ont pu établir que cette usure, responsable d'une mise au rebut précoce des nez de lance, avait pour cause prépondérante des phénomènes d'aspiration provoquant des recirculations gazeuses autour des jets d'oxygène à forte impulsion. Ainsi, les gaz très chauds présents dans l'atmosphère au-dessus du bain et chargés en particules solides sont locale- ment aspirés vers la lance et viennent éroder la surface du nez autour des orifices principaux d'oxygène et en particulier, les zones situées entre ces orifices, puisque c'est là que s'additionnent les effets de recircula- tion propres à plusieurs jets principaux voisins. Grâce à la présence d'orifices annexes en forme de fentes, confor- - mément à l'invention, on modifie favorablement les écoulements gazeux contre le nez de lance, de sorte que les phénomènes d'usure par recircula- 39 tion des gaz chauds sont considérablement réduits. 3 2496699 En conformité avec l'invention, un tel résultat est atteint lorsque les fentes sont éloignées des ouvertures principales d'une distance comprise entre 2 et 20 cm environ, cette distance étant comptée de bord à bord, car la section des orifices concernés intervient peu. Si les fentes sont localisées trop près (à moins de 2 cm approximativement), la recirculation gazeuse autour des jets principaux est certes supprimée, mais les courants d'oxygène à la sortie des fentes sont mis en accélération par l'effet d'entraînement des jets principaux, de sorte, qu'en définitive, celà revient à déplacer le problème de l'usure autour des fentes secondaires. De plus, cette mise en accélération joue à l'opposé de la diffusion latérale des courants secondaires, si bien que, dans le meil- leur des cas, la formation d'une nappe conique homogène d'oxygène audessus du bain est retardée et la combustion secondaire pénalisée. Par contre, si les fentes sont placées trop loin, à savoir à plus de 20 cm environ, elles n'ont pratiquement plus d'influence sur l'aérodynamique au voisinage des jets principaux d'oxygène. Toutefois, les fentes secondai- res ne doivent pas pour autant être placées sur le flan latéral du nez car sinon, l'effet recherché n'est pas obtenu. On va maintenant illustrer ce qui vient d'être dit à l'aide des plan- ches de dessins annexées sur lesquelles les figures 1, 2 et 3, représentent schématiquement un nez de lance selon l'invention vu du dessous, c'est-à- dire vu du bain de métal à traiter, et la figure 4 est une vue en coupe verticale selon le plan axial AAde la figure 3. Sur les figures, on voit en 1 la face frontale du nez de lance 2. Cette face, de forme sensiblement plane, présente dans sa partie centrale trois orifices principaux 3 pour le soufflage de jets d'oxygène à forte impulsion (oxygène d'affinage). A une distance notée "d" comprise, comme on l'a dit, entre 2 et 20 cm environ du bord des orifices 3, sont ménagées des ouvertures pour la sortie des courants d'oxygène à faible impulsion, destinés à former une nappe conique continue entourant les jets principaux et recouvrant la surface du bain métallique à affiner. En conformité avec l'invention, ces ouvertures annexes peuvent présen- ter de nombreuses variantes de conception, allant depuis une conformation en fente annulaire unique 4 (figure 1) à une configuration en petites fentes multiples 5 (figure 3) pratiquement rectilignes, en passant par des configurations à fentes en arc de cercle plus ou moins allongées, telles que 6 (figure 2). 39 Il doit être souligné en effet que l'écran gazeux de forme conique Girl 4 2496699 recherché n'est pas obligatoirement obtenu au mcyen d'une fente annulaire continue (figure 1), mais peut également être réalisé à partir d'une succes- sion de fentes espacées (figures 2 et 3). L'intérêt de cette dernière forme de réalisation est de pouvoir ménager entre les fentes, des pontets 7 qui facilitent, au plan technologique, l'aménagement d'un circuit d'eau de refroidissement à l'intérieur du nez de lance. Dans ce cas cependant, il est avantageux de prévoir des fentes à profil divergent dans le sens du soufflage pour permettre une meilleure diffusion latérale des différents courants d'oxygène secondaire qui peuvent alors se rejoindre rapidement dès leur sortie des fentes, pour former le plus t8t possible l'écran gazeux uniforme recherché. A cet effet, les petits côtés des fentes ont été chan- freinés. Ces chanfreins sont bien visibles en 18 sur la figure 3. La figure 4 montre le nez de lance 2 en coupe verticale tel que monté à l'extrémité basse du corps de lance, lequel est constitué de la manière habituelle par trois tubes concentriques 8, 9 et 10. Ainsi qu'on peut s'en rendre compte, le nez 2 est une pièce creuse en cuivre, moulée de façon à ménager des passages centraux 11 qui débouchent sur la face frontale 1 par les ouvertures 3 déjà citées. Cette pièce est ensuite percée par usinage et des canons en cuivre 12 sont placés dans les perçages ainsi réalisés. Ces canons présentent une section de passage 13 de forme oblongue dans la direction perpendiculaire au plan de la figure et débouchent en face frontale I par les fentes 6. -Un cloisonnage interne 14, qui peut être rapporté ou moulé d'origine avec le nez, partage le volume intérieur du nez en deux compartiments, intérieur 15 et extérieur 16, communiquant entre-eux par des passages annu- laires 17 ménagés autour des passages principaux Il. De cette façon, on réalise à l'intérieur du nez un circuit d'eau de refroidissement étanche qui irrigue efficacement toute la face frontale 1. La circulation de l'eau est indiquée par des flèches. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure o sont respectées les caractéristiques techniques énoncées dans les revendications jointes. Par ailleurs, il est clair que la mise en oeuvre pratique de l'inven- tion suppose que des moyens sont prévus qui permettent de différencier les vitesses de soufflage de l'oxygène entre les jets principaux à forte impul- sion destinés à l'affinage, et les jets secondaires à plus faible quantité de mouvement destinés à former l'écran gazeux. 39 Ces moyens peuvent être purement constructifs, le calibre relatif des X ri 2496695 passages 13 assurant la répartition des débits (figure 4), ou plus élaborés pour permettre des réglages dynamiques et indépendants des flux gazeux à partir, par exemple, de deux alimentations séparées en oxygène et d'un corps de lance à double flux. D'autre part, l'invention est d'application générale à tout traitement à l'oxygène de bains métalliques carburés contenus dans un récipient métal- lurgique. De préférence, elle s'applique conjointement avec une opération de brassage du bain obtenu par une insufflation de gaz de brassage (gaz neutre ou éventuellement oxydant) au travers de tuyères ou d'éléments réfractaires aéroperméables incorporés en paroi du récipient, à un niveau inférieur à celui du bain, et plus généralement, dans le fond du récipient. C'est en effet dans les conditions opératoires précitées que les meilleurs résultats sur le plan de la combustion secondaire ont pu être enregistrés à ce jour par les inventeurs, notamment en raison du fait, semble-t-il, que le brassage pneumatique du bain par insufflation d'un gaz par le fond est de nature à stabiliser la hauteur de couche du laitier, donc également, la. distance séparant l'extrémité de la lance de la surface de laitier. 6 2496699 REVENDICATIONS 1) Lance de soufflage de gaz oxydant, notamment d'oxygène, pour le traitement des métaux en fusion, en particulier pour l'affinage d'un bain de fonte en acier, et comprenant un nez de lance pourvu de deux catégories d'ouvertures: au moins une ouverture principale pour le soufflage de jets gazeux à forte impulsion et débouchant sur la région centrale de la face frontale du nez de lance, et au moins une ouverture annexe pour le souffla- ge de courants gazeux à impulsion sensiblement plus faible, caractérisée en ce que l'ouverture annexe présente une conformation annulaire entourant à distance l'ouverture principale ou le groupe formé par les ouvertures principales et en ce que ladite ouverture annexe débouche sur la face frontale du nez. 2) Lance de'soufflage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance séparant l'ouverture principale -ou le groupe formé par les ouvertures principales- et l'ouverture annexe est comprise entre 2 et 20 cm environ, comptée bord à bord. 3) Lance de soufflage selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture annexe est constituée par une fente annulaire unique. 4) Lance de soufflage selon les revendications I ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture annexe se présente sous une configuration circulaire de fentes multiples pratiquement rectilignes et placées à distance les unes dans le prolongement des autres. ) Lance de soufflage selon les revendications I ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture annexe se présente sous une configuration circulaire de fentes allongées en arc de cercle et placées à distance dans le prolongement les unes des autres. 6) Lance de soufflage selon les revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les fentes présentent un profil divergent dans le sens du soufflage gazeux. 7) Lance de soufflage selon la revendication 6, caractérisée en ce que les petits côtés des fentes sont chanfreinés. 8) Application de la lance selon la revendication I à une installation sidérurgique pour l'affinage à l'oxygène d'un bain de fonte contenu dans un récipient, caractérisée en ce que la paroi du récipient comporte à un niveau inférieur à celui du bain, des moyens pour l'insufflation d'un gaz de brassage dans le bain. 9) Application selon la revendication 8, caractérisée en ce que les 39 moyens pour l'insufflation d'un gaz de brassage dans le bain sont des tir 7 2496699 éléments réfractaires aéroperméables. ) Application selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens pour l'insufflation d'un gaz de brassage dans le bain sont des tuyères. 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