Brevet FR2521167A1 — publié le 19830812

- La présente invention a pour objet une lance d'injection de gaz spécialement conçue pour les conver- tisseurs métallurgiques à soufflage d'oxygène par le haut, par le fait qu'elle permet de produire deux flux gazeux coaxiaux sous des pressions génératrices différentes. On utilise couramment dans les convertisseurs métallurgiques des lances qui permettent d'injecter de l'oxygène à la surface d'un métal liquide à affiner, tel que la fonte ou l'acier On sait qu'il est souvent avan- tageux, dans ce genre d'opérations, de compléter la réaction d'affinage du métal en fusion par une combustion secondaire des gaz qui se dégagent du bain métallique, cette combustion secondaire demandant une pression géné- ratrice d'oxygène plus faible et'une répartition annulaire de l'injection autour du, ouplus généralement, des jets primaires centraux à forte impulsion assurant la conversion du bain On utilise pour cela des lances dites à "double flux", alimentées par deux circuits d'oxygène distincts à des pressions génératrices différentes depuis l'extérieur du convertisseur Mais on sait qu'il n'est pas toujours aisé de mettre en oeuvre de telles lances à double flux, à deux alimentations séparées. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients grâce à une lance spécialement conçue pour produire les deux pressions génératrices différentes à partir d'un flux d'alimentation unique La lance selon l'invention a en outre l'avantage de pouvoir se monter aisément sur des installations existantes utilisant des lances à simple flux, souvent même par substitution du seul nez de la lance, c'est-à-dire de la partie extrême la plus proche, en fonctionnement, du bain de métal liquide. La lance selon l'invention se caractérise en ce qu'elle comporte essentiellement une chambre interne d'admission d'un flux gazeux principal à une première série d'orifices d'injection, et à l'intérieur de ladite chambre, au voisinage de ladite première série d'orifices, des moyens de formation d'un flux gazeux secondaire par prélèvement et détente d'une fraction du flux principal et des moyens d'admission de ce flux secondaire à une seconde série d'orifices d'injection, en disposition annulaire autour de la première série. Les moyens de formation du flux secondaire peuvent être avantageusement constitués par des cols à vitesse d'écoulement sonique ouverts dans la chambre d'admission du flux principal, chacun à l'entrée d'un conduit individuel d'alimentation de l'un des orifices d'injection de la seconde série Cette solution o le f lux secondaire est prélevé séparément pour chacun des orifices individuels auquel il est amené est le plus souvent préférable Mais dans certains cas, on peut aussi prévoir en variante, pour un ou plusieurs cols suivis de chambres de détente, un collecteur commun répartissant le flux secondaire ainsi prélevé et détendu vers les différents orifices d'injection, ou orifices de sortie. La lance selon l'invention convient particuliè- rement bien pour être montée sur un convertisseur métal- lurgique à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut (type LD), de manière à permettre l'injection d'oxygène en direction de la surface d'un bain de métal en cours d'affinage La lance peut alors comporter tous les équi- pements annexes connus dans ce genre d'application, par exemple des moyens de refroidissement par circulation d'eau dans une chemise entourant la paroi de la chambre d'admission du flux gazeux principal D'autre part, les orifices d'injection, ou orifices de sortie, secondaire, sont avantageusement orientés, comme dans les lances à double flux classiques, selon une inclinaison, par rapport à l'axe, plus forte que pour les orifices d'injection de flux principal Cette disposition, alliée à la vitesse réduite du flux secondaire, assure la meilleure combustion secondaire dans un convertisseur, du fait que ce flux secondaire occupe un espace annulaire conique qui s'évase et s'élargit autour du cône central 2521 167 formé par le flux principal. Pour rapprocher encore le fonctionnement de la lance selon l'invention de celui d'une lance à double flux d'oxygène classique à deux alimentations séparées, il peut être utile de prévoir une possibilité de réglage du débit gazeux à travers les orifices de la seconde série, correspondant au flux secondaire A cet effet, dans un mode de réalisation préféré de la lance selon l'invention, celle-ci comporte des moyens de réglage du prélèvement de flux secondaire dans la chambre interne de la lance qui peuvent avantageusement être constitués par des moyens de réglage de la section de passage des cols à travers lesquels s'effectue ce prélèvement à vitesse d'écoulement sonique La restriction plus ou moins grande de la section de passage a une incidence sur la quantité de gaz prélevée et donc sur la pression génératrice obtenue, après les ondes de détente, au niveau des orifices de sortie de la série correspondante au flux secondaire Il est souhaitable que le réglage puisse s'effectuer lorsque la lance est en place dans un convertisseur, c'est-à-dire depuis l'extérieur de ce convertisseur, à l'extrémité de la lance opposée à celle du nez qui comporte les orifices de sortie Tout dispositif connu en soi peut être utilisé pour modifier la section interne des cols suivant les besoins de ce réglage Dans tous les cas, la section des cols est choisie strictement inférieure à la section des orifices de sortie du flux secondaire, ce qui suffit à assurer une vitesse sonique de l'écoulement dans les cols dans les conditions de pression régnant habituellement dans la chambre interne de la lance (la pression y étant toujours en pratique supérieure à 10 bars, alors que la limite inférieure en pression à ne pas dépasser est voisine de 2 bars). L'invention sera maintenant plus complètement décrite en se référant à des modes de réalisation parti- culiers, nullement limitatifs, de la lance selon l'inven- tion Leur description est illustrée par les figures des dessins qui l'accompagnent, dans lesquels La figure 1 est une vue schématique d'une lance selon l'invention, montée dans un convertisseur métallur- gique la figure 2 représente, en coupe longitudinale,. le nez d'une lance selon l'invention; la figure 3 représente de même un détail d'une telle lance dans une variante de réalisation; la figure 4 illustre schématiquement un autre mode de réalisation en variante de celui de'la figure 3 et la figure 5 illustre schématiquement la répar- tition des orifices d'injection dans une vue de l'extré- mité de la lance. Sur la figure 1, on a représenté un convertisseur 1 contenant un métal liquide 2 en cours d'affinage La réaction d'affinage est assurée par un soufflage d'oxygène sur la surface du métal Le convertisseur est équipé pour cela d'une lance 3, disposée verticalement dans l'axe du convertisseur. La lance 3 est essentiellement constituée par une paroi tubulaire 4, fermée à l'extrémité inférieure par un fond à travers lequel sont percés les orifices d'injection, ou orifices de sortie, désignés sous la référence générale 6. A l'extrémité supérieure de la lance, l'intérieur de la paroi tubulaire 4 est raccordé à une conduite 7 qui en assure l'alimentation en oxygène sous pression à partir d'une source extérieure Pendant son fonctionnement, la lance est refroidie en permanence grâce à une circulation d'eau qui s'effectue dans une double chemise enveloppant la paroi 4 On a donc représenté sur la figure 1 les deux parois coaxiales 8 et 9 qui enveloppent la lance, ainsi que les piquages 10 et 11 pour l'entrée et-la sortie de l'eau de refroidissement respectivement. Les figures 1 et 5 montrent comment son répartis et disposés les orifices 6 par lesquels l'oxygène amené sous pression dans la lance sort à l'extrémité inférieure de celle-ci La figure 2 montre avec plus de précision comment sont constitués ces orifices Il s'agit en fait de tubes de soufflage ( 12, 13) ouverts à leurs deux extrémités et traversant la paroi de la lance et sa - double chemise de circulation d'eau Ils sont répartis en deux séries ou couronnes concentriques Tous sont inclinés par rapport à l'axe de la lance, en s'écartant de cet axe de l'intérieur vers l'extérieur de la lance Grâce à cette disposition, on formeen fonctionnement un cône d'injection primaire 14, ou principale, dans l'axe de la lance, à la sortie des orifices des tubes 47 de la série interne, tandis que les tubes 48 de la série externe assurent une injection d'oxygène secondaire 15, s'évasant annulairement autour du cône principal 14. L'efficacité de ce fonctionnement demande en outre que l'oxygène soit admis sous une pression généra- trice plus faible aux tubes de la couronne extérieure qu'aux tubes de la couronne intérieure A cet effet, le nez de la lance, à l'extrémité inférieure, est réalisé comme le montre la figure 2 On y voit une chambre interne 16, délimitée par la paroi tubulaire 4, laquelle est complétée par une pièce d'extrémité 17 qui constitue son fond L'étanchéité entre la paroi 4 elle-même et le fond 17 est réalisée par un montage par emboîtement avec inter- position de joints 18 pour assurer une compensation des effets de dilatation différentielle avec le reste du corps de lance On voit aussi, autour de la pièce d'extrémité 17, deux jupes coaxiales 20 et 21 qui se raccordent aux enve- loppes tubulaires 8 et 9 respectivement de la double chemise de refroidissement La jupe externe 21 est soudée à l'extrémité de l'enveloppe externe 9 Son fond 22 est fermé et seulement traversé par les tubes de soufflage 12 et 13 La jupe intermédiaire 20 s'encastre librement dans l'extrémité de l'enveloppe 8, intermédiaire entre -35 la paroi 4 et l'enveloppe extérieure 9 Son fond 23 est seulement constitué de pattes radiales qui passent autour des tubes 12 et 13 et laissent une ouverture 24 2521 167 dans l'axe de la lance La circulation de l'eau de refroidissement est ainsi assurée comme l'illustrent les flèches de la figure 2, l'eau descendant le long de la paroi tubulaire 4 et remontant dans l'espace annulaire compris entre l'enveloppe intermédiaire 8 et l'enveloppe extérieure 9. Parmi d'autres détails de réalisation qui res- sortent de la figure 2, on remarquera que les tubes de la couronne interne sont de diamètre plus large que les tubes de la couronne externe et qu'ils sont légèrement coniques, alors que les tubes-de la couronne externe sont cylindriques Mais ces détails, avantageux dans le cas particulier représenté, ne sont en général nullement impératifs. Dans la chambre interne 16 recevant l'oxygène sous pression sont disposés des pots de détente 26, en nombre égal à celui des tubes de soufflage 13 de la couronne extérieure Chaque pot 26 forme une enceinte cylindrique verticale allongée qui conduit de l'oxygène prélevé de la chambre 16 individuellement jusqu'à l'un des orifices de sortie 13 constitués par les tubes de soufflage de la couronne externe Son extrémité inférieure est raccordée à un prolongement coudé 28 du tube 13 cor- respondant, à l'intérieur de la chambre 16 Dans le cas particulier représenté, cette extrémité est constituée par un embout 27 soudé sur le pot 26 vissé sur une douille 30 elle-même soudée à l'extrémité du prolongement 28 On remarque que la section intérieure des tubes 13 est inférieure à celle des pots 26, ce qui conduit à disposer des embouts de raccord 27 à profil convergent dans le sens du soufflage pour une mise en vitesse du gaz dans les tubes 13. A son extrémité supérieure le pot 26 s'ouvre dans la chambre 16 par un col de section réduite 29 Ce col est ménagé avec une entrée convergente dans un embout 31 rapporté à l'extrémité de la chambre cylin- drique du pot 26 Sa section est plus faible que celle de l'orifice de-sortie 13 correspondant. On comprend que grâce à cette disposition, lorsque l'oxygène est introduit dans la chambre 16 sous une pression qui est en général de l'ordre de 10 à 15 bars, le flux principal se forme directement sous cette pression au niveau des tubes de soufflage 12 de la couronne interne, tandis qu'une fraction de ce flux principal se trouve prélevée par les cols 29 La circu- lation est sonique à travers ces cols et l'oxygène prélevé se détend dans les pots 26 avant de parvenir aux tubes de soufflage 13 de la couronne externe. Si l'on souhaite pouvoir intervenir en plus sur le débit d'oxygène prélevé pour constituer le flux secondaire, on peut adjoindre au pot de détente un système de réglage permettant de faire varier la section de pas- sage des cols 29, et donc de régler le débit gazeux qu-'ils prélèvent, ce qui conduit à modifier la pression généra- trice du flux secondaire à la sortie des pots de détente. La figure 3 illustre une possibilité de réali- sation d'un tel système On y a schématiquement représenté un tube de soufflage 13, avec son prolongement interne 28, le pot de détente cylindrique correspondant 26, terminé par le col 29 La section de passage du col 29 peut être partiellement obturée grâce à un pointeau 33 qui peut être déplacé au-dessus de ce col, parallèlement à son axe Dans le cas particulier représenté, le déplacement du pointeau 33 est assuré par un vérin 34 monté sur un support 35 fixé sur l'extrémité supérieure du pot 26 On a supposé ici que le vérin était à commande hydraulique ou pneumatique avec une circulation d'un fluide, tel que de l'eau ou un gaz comprimé inerte, vis-à-vis de l'oxygène, assurée depuis l'extérieur de la lance Une conduite d'arrivée 36 et une conduite de retour 37 de ce fluide sont disposées verticalement dans l'axe de la lance et raccordées respectivement à deux collecteurs toriques 38 et 39, communs aux différents pots de détente et qui sont reliés par des conduites souples aux divers vérins Mais naturellement, on pourrait tout aussi bien, pour déplacer les pointeaux 33 de manière réglable, utiliser d'autres moyens de commande, par exemple des vérins mécaniques. Pour le passage des conduites 36 et 37, ou de tout autre tube ou tige de commande du déplacement des pointeaux, la conduite 7 qui assure l'alimentation en oxygène à l'extrémité supérieure de la lance (figure 1), comporte un passage vertical 40, dans l'axe de la lance, pourvu de moyens d'étanchéité non représentés. La figure 4 illustre un autre mode de réalisa- tion d'une lance selon l'invention, qui-diffère de celui de la figure 3 par les moyens qui permettent de régler la section de passage des cols à l'entrée dans chaque pot de détente 26 Dans ce cas, le col lui-même est défini par une membrane flexible déformable 42, montée de manière étanche entre l'extrémité supérieure du pot 26 et une bague annulaire rigide 43 Une chambre annulaire 44 est formée autour de la membrane-flexible 42 par une enceinte 45 fixée de manière étanche, d'une part sur l'extrémité supérieure du pot 26, d'autre part sur la bague 43 Une conduite 46 permet d'admettre dans cette chambre un fluide de commande sous une pression réglable depuis l'extérieur de la lance. Suivant cette pression, la membrane 42 se trouve plus ou moins déformée et gonflée vers l'axe du col o circule l'oxygène, ce qui donne à ce dernier une section de pas- sage plus ou moins rétrécie. Naturellement, les variantes de réalisation qui viennent d'être décrites ne sont nullement limitatives de l'invention, mais leur description fait clairement ressortir comment les moyens prévus permettent de faire chuter la pression génératrice au niveau des orifices d'injection du flux secondaire par montée en régime super- sonique dans les cols 26, puis passage de ce régime super- sonique à un écoulement subsonique au travers d'ondes de détente dans des pots 29 suffisamment longs. REVENDICATIONS 1 Lance d'injection de gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre interne ( 16) d'admission d'un flux gazeux principal à une première série d'orifices d'injection ( 47, 48), et à l'intérieur de ladite chambre, au voisinage de ladite première série d'orifices, des moyens ( 26, 29) de formation d'un flux gazeux secondaire par prélèvement et détente d'une fraction du flux principal et des moyens ( 28) d'amenée de ce flux secondaire à une seconde série d'orifices d'injection ( 13) en disposition annulaire autour de la première série. 2 Lance d'injection de gaz selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de formation du flux secondaire sont constitués par des cols à vitesse d'écoulement sonique ( 29) ouverts dans la chambre d'ad- mission du flux principal, chacun à l'entrée d'un pot de détente ( 26) assurant individuellement l'alimentation de l'un des orifices d'injection de la seconde série. 3 Lance selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce qu'elle comporte des moyens de réglage du débit gazeux prélevé du flux principal pour admission aux orifices d'injection de la seconde série. 4 Lance selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réglage de la section, de passage à travers lesdits cols ( 29). Lance selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de réglage comportent des poin- teaux ( 33) respectivement disposés à l'entrée de chacun des cols ( 29) et déplaçables par des vérins ( 34) commandés depuis l'extérieur de la lance. 6 Lance selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits cols sont limités par une membrane tubulaire souple et en ce que lesdits moyens de réglage comportent une chambre ( 44) à pression réglable, cons- tituée autour de ladite membrane ( 42). 7 Lance selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de refroidissement par circulation d'eau autour de la paroi de ladite chambre interne ( 16). 8 Lance selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits orifices comportent des tubes ( 12, 13) ménagés à travers un fond faisant partie d'un nez de lance adaptable qui supporte lesdits pots ( 26). 9 Lance selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est montée sur un convertisseur métallurgique à réglage d'oxygène d'affinage par le haut. r