Brevet FR2505873A1 — publié le 19821119

Perfectionnementg arportés aux tuyères à vents chauds -pour hauts fourneaux La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux tuyères à vents chauds pour hauts fourneaux comprenant: une enceinte tubulaire creuse extérieure délimitée par deux parois cylindriques ou tronconiques s'étendant entre une partie avant (nez) et une partie arrière et destinée à Otre parcourue par un courant de liquide de refroidis- sement, des moyens d'injection et des moyens d'évacuation pour respectivement introduire le liquide dans l'enceinte et l'en faire sortir, lesdits moyens étant agencés de manière telle que le liquide circule dans l'enceinte avec un mou- vement de rotation hélicoldale libre autorisé par le fait que l'enceinte ne présente intérieurement aucun obstacle susceptible de s'opposer à ce mouvement ou de le gêner. On conna t déjà des tuyères de ce genre, telles que par exemple celle décrite dans le brevet US 3 234919, dans lesquelles une paroi cylindrique s'étend axialement dans lrenceinte qu'elle sépare en deux régions coaxiales commu- niquant l'une avec l'autre seulement dans la zone du nez. Des orifices d'injection de liquide débouchent tangentiel- lement dans la région intérieure tandis que des orifices d'évacuation du liquide s'ouvrent tangentiellement dans la région extérieure, les orifices d'injection et d'évacuation étant prévus dans la partie arrière (ou face arrière) de l'enceinte. L'inconvénient principal présenté par les tuyères connues de ce genre est que le mouvement de rotation héli- coldale du liquide, résultant de l'injection tangentielle, s'amortit très rapidement, à cause des pertes de charge et des frottements de la masse liquide sur les parois Il en résulte que, lorsque le liquide parvient dans le nez de la tuyère après avoir léché la paroi latérale de l'enceinte sur toute sa longueur, son mouvement de rotation est très affaibli et le refroidissement du nez de l'enceinte est très mauvais, alrs que cette zone du nez, qui est plus particulièremênt exposée à la chaleur, doit précisément être celle qui doit être refroidie le plus efficacement. On pourrait penser perfectionner ce type de tuyère en disposant dans l'enceinte, en arrière du nez, un noyau in- térieur agencé pour délimiter pour le liquide un trajet hélicoldal Toutefois, la section de passage offerte au fluide le long d'un tel trajet ne peut pas ttre inférieure à un minimum pour des considérations de fabrication, et il en résulterait, pour une vitesse donnée du liquide dans le nez (par exemple de l'ordre de 15 à 20 m/s), l'obligation d'une alimentation avec un débit élevé de l'ordre par exem- ple de 50 m 3/heure La conséquence en serait une très mau- vaise utilisation du pouvoir d'absorption calorifique du liquide qui ne s'échaufferait pas suffisamment, et par ail- leurs, compte tenu du grand nombre de tuyères utilisées, il serait difficile de disposer en pratique d'un réseau d'alimentation suffisamment important pour pouvoir alimen- ter efficacement toutes les tuyères branchées en parallèle. D'une façon générale, on aboutirait à un gaspillage de moyens aussi bien sur le plan technique que sur le plat fi- nancier. L'invention a essentiellement pour but de remédier aux inconvénients qui viennent d' tre exposés et de faire en sorte que les tuyères à vents chauds utilisées dans les hauts fourneaux donnent mieux satisfaction que par le pas- sé, notamment en accroissant l'efficacité du refroidisse- ment, en particulier dans la zone de leur nez, et en dimi- nuant le débit de liquide de refroidissement, tout en con- servant une structure simple à fabriquer. A ces fins, on prévoit que les moyens d'injection com- prennent: d'une part, une chambre tubulaire creuse inté- rieure et coaxiale à l'enceinte extérieure et disposée à distance radiale des parois latérales de celle-ci, ladite chambre intérieure s'étendant depuis la susdite partie ar- rière de l'enceinte extérieure jusqu'au voisinage immédiat du nez; d'autre part, des moyens d'alimentation en liquide pour raccorder ladite enceinte extérieure à un réseau d'alimentation en liquide de refroidissement; et, d'autre part enfin, au moins un orifice s'ouvrant tangentiellement dans l'extrémité antérieure de la chambre intérieure ou au voisinage de cette extrémité, de manière à communiquer au liquide de refroidissement une composante tangentielle, ce grâce à quoi le liquide de refroidissement est projeté con- tre la face intérieure du nez de l'enceinte, puis est mis en mouvement de rotation hélicoïdale libre entre le nez et les moyens d'évacuation. Le refroidissement dans la zone du nez de l'enceinte est rendu particulièrement efficace du fait que la vitesse d'injection du liquide, et donc sensiblement sa vitesse de rotation dans le nez, ne dépend que de la conformation de l'injecteur et de la pression du réseau d'alimentation; elle ne dépend désormais que très peu du débit, contraire- ment à ce-qui prévalait dans les agencements antérieurs. A titre d'exemple, pour la vitesse précédemment envisagée ( 15 à 20 m/s dans le nez), le débit peut n'être que de l'or- dre de 3 à 5 M 3/heure Toute la masse de liquide contenue dans l'enceinte est mise en rotation et participe au re- froidissement; l'élévation de température de l'eau est accrue et le rendement, du point de vue du refroidissement, se trouve amélioré. En raison de l'injection du liquide directement dans la zone du nez de l'enceinte, cette zone particulièrement exposée est bien refroidie Il en résulte une plus grande longévité de la tuyère, entraînant un moins grand nombre d'arrêts du haut fourneau pour réparation o U échange des tuyères. Le plus faible débit de liquide s'accommode d'un ré- seau d'alimentation plus modeste, et la consommation de liquide est bien moindre que par le passé En outre, en cas de perçage de la paroi d'une tuyère, la quantité de liquide déversée dans le haut fourneau est considérablement dimi- nuée, ce qui minimise les conséquences d'un tel accident. D'une façon générale, tous les avantages ci-dessus énumérés s'accompagnent d'économies substantielles en ar- gent, alors que par ailleurs la fabrication de la tuyère conforme à l'invention reste facile, peu coûteuse et réa- lisable à l'aide d'outillages traditionnels. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, donné uniquement à titre d'exemple illustratif; dans cette description, on se réfère au dessin annexé sur lequel: la figure 1 montre schématiquement, en coupe axiale, une tuyère à vents chauds pour haut fourneau agencée confor- mément à l'invention, et la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la fi- gure 1. Comme représenté sur les figures, la tuyère comprend une enceinte tubulaire creuse fermée 1 délimitée latérale- ment par deux parois intérieure et extérieure, respective- ment 2 et 3, en général coaxiales et de forme allongée soit cylindrique, soit la plus souvent légèrement tronconique notamment pour faciliter la mise en place ou le retrait de la tuyère daun la paroi du haut fourneau La paroi inté- rieure 2 délimite un passage axial 4 pour les gaz chauds. 2 G ' A l'extrémité antérieure, ou nez 5, de la tuyère, les deux parois latérales sont réunies par une paroi circulaire 6; à l'extrémité arrière, il est prévu une plaque ou cu- lasse 7 traversée par des ouvertures appropriées (dont il sera question plus loin) pour l'amenée et l'évacuation du liquide de refroidissement. En position de montage fonctionnel de la tuyère dans le haut fourneau, le nez 5 fait saillie à l'intérieur du haut fourneau et est par conséquent la partie de la tuyère la plus exposée thermiquement C'est donc cette partie qu'il importe de refroidir de la façon la plus efficace possible. A cette fin, an d spose; à l'intérieur de l'enceinte 1, une chambre tubulaire creuse intérieure fermée 10, dé- limitée par deux parois latérales 11 et 12 cylindriques ou le palus souvent tronconiques selon la forme adoptée pour l'enceinte extérieure; ces parois sont coaxiales, éven- tuellement parallèles aux parois 2 et 3 de l'enceinte et s'étendent depuis la culasse 7 jusque dans la zone du nez 5, Cette chambre 10 est raccordée, par une ouverture 13 pratiquée à travers la culasse 7, à un réseau d'ali- mentation 14 en liquide de refroidissement (eau) A son - extrémité antérieure sont prévues plusieurs ouvertures équidistantes la faisant communiquer avec l'enceinte 1. Ces ouvertures sont dirigées sensiblement tangentiellement à la chambre de telle manière que le liquide sous pression, en provenance de l'orifice d'entrée 13, soit projeté avec une composante tangentielle contre la surface intérieure de la paroi 6 du nez 5 (flèche 16 sur la figure 2), puis par réflexion à cet endroit (flèche 17) amorce un mouvement de rotation le long de cette surface du nez en le refroidis- sant efficacement. Cette injection tangentielle entretient toute la masse de liquide contenue dans l'enceinte dans un mouvement de rotation hélicoïdale libre qui, assez rapidement en arrière du nez, se divise en deux écoulements distincts de m 8 ete sens: un premier écoulement hélicoïdal s'appuie contre la surface intérieure de la paroi extérieure 3 de l'enceinte tandis que le second écoulement hélicoïdal s'appuie contre la surface extérieure de la paroi intérieure 12 de la cham- bre 10; autrement dit, deux écoulements hélicoïdaux se propagent respectivement dans les deux portions extérieure la et intérieure 1 b que la chambre 10 délimite au sein de l'enceinte 1. Des orifices de sortie 18 et 19 sont prévus dans la culasse 7 pour évacuer le liquide hors des portions la et lb, respectivement. La section totale des ouvertures 15 peut avantageuse- ment être inférieure à la section totale des ouvertures 18, 19. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention de se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 Tuyère à vents chauds pour haut fourneau compre- nant: une enceinte tubulaire creuse extérieure délimitée par deux parois cylindriques ou tronconiques s'étendant entre une partie avant (nez) et une partie arrière et destinée à 8 tre parcourue par un courant de liquide de refroidis- sement, des moyens d'injection et des moyens d'évacuation pour respectivement introduire le liquide dans l'enceinte et l'en faire sortir, lesdits moyens étant agencés de maniè- re telle que le liquide circule dans l'enceinte avec un mouvement de rotation hélicoïdale libre autorisé par le fait que l'enceinte ne présente intérieurement aucun obstacle susceptible de s;opposer à ce mouvement ou de le gêner, caractérisée en ce que les moyens d'injection comprennent: d'une part, une chambre tubulaire creuse intérieure et sensiblement coaxiale à l'enceinte extérieure et disposée à distance radiale des parois latérales de celle-ci, la- dite chambre intérieure s'étendant depuis la susdite partie arrière de l'enceinte extérieure jusqu'au voisina- ge immédiat du nez; d'autre part, des moyens d'alimentation en liquide pour raccorder ladite enceinte extérieure à un réseau d'ali- mentation en liquide de refroidissement; et, d'autre part enfin, au moins un orifice s'ouvrant tangen- tiellement dans l'extrémité antérieure de la chambre in- térieure ou au voisinage de cette extrémité, de manière à communiquer au liquide de refroidissement une composante tangentielle, ce grâce à quoi le liquide de refroidisse- ment est projeté contre-la face intérieure du nez de l'enceinte, puis est mis en mouvement de rotation héli- coldale libre entre le nez et les moyens d'évacuation. 2 Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre intérieure possède plusieurs orifices ré- gulièrement espacés angulairement les uns des autres. 3 Tuyère selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la section totale de passage offerte au liquide depuis la chambre intérieure dans l'enceinte extérieure est inférieure à la section des moyens d'évacuation assu- rant l'évacuation du liquide hors de l'enceinte. 4 Tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les orifices pour le passage du liquide de refroidissement depuis la chambre intérieure vers l'enceinte extérieure sont agencés, notamment pour ce qui concerne leur section, en fonction du débit du liquide de refroidissement.