Brevet FR2515211A1 — publié le 19830429

l 2515211 La présente invention concerne un procédé pour l'affinage du métal, et particulièrement de l'acier, par insufflation d'un gaz d'affinage entouré par un gaz de refroidissement, dans le bain du métal fondu devant être affiné, en utilisant une tuyère de soufflage du type comportant une pluralité de tubes concentriques, par exemple une tuyère à deux tubes concentriques, située en- dessous de la surface du bain métallique contenu dans un réci'pierit d'affinage de métaux (par exemple un convertisseur) Cette invention concerne plus par- ticulièrement un procédé de protection des tuyères du type multi-tubes concen- trique s. Dans une tuyère à double tubes concentriques de type classique (dési- gnée ci-après par "tuyère double") d'un récipient d'affinage de métaux, on in- suffle de l'oxygène dans le bain métallique à affiner par le tube interne, et un gaz de refroidissement est insufflé dans ce bain au travers du tube extérieur de cette tuyère double Comme gaz de refroidissunent, on utilise principale- ment, dans un système d'affinage de métaux, un hydrocarbure gazeux tel que, notamment, du méthane ou du propane L'un des perfectionnements apportés à ce procédé consiste à utiliser du CO 2 ou de la vapeur d'eau, comme gaz de refroidissement, afin d'obtenir un meilleur effet refroidissant Dans ce pro- cédé amélioré, on utilise un hydrocarbure gazeux en une quantité légèrement inférieure à 10 % en poids de la quantité du gaz d'affinage (de l'oxygène, de préférence), comme décrit, par exemple, dans le brevet américain 3 706 549. Avec un tel procédé, il est donc nécessaire de contrôler la quantité de gaz de refroidissement en fonction de la quantité de gaz d'affinage (oxygene) insufflé. Cependant, dans un tel procédé, le gaz de refroidissement est limité lorsque aux hydrocarbures gazeux, et les essais ont confirmé que/le type de gaz re- froidissant est changé, ou que l'on modifie les dimensions de la tuyère, l'effet refroidissant recherché ne peut pas toujours être atteint, même en réglant, la quantité de gaz de refroidissement utilisée à une valeur qui représente moins de 10 % en poids de la quantité de l'oxygène gazeux insufflé. La présente invention se propose d'apporter un procédé amélioré d:'af- finage de métaux utilisant une tuyère à plusieurs tubes concentriques. Un autre objet de cette invention est d'apporter un procédé de protec- tion d'une tuyère permettant d'obtenir un excellent effet de refroidissement de la tuyère, lors de l'affinage d'un métal, en utilisant une tuyère multi-tubes concentriques, quel que soit le type de gaz refroidissant utilisé et quelles que soient les dimensions de la tuyère mise en oeuvre. Parmi les gaz refroidissants pouvant être utilisés selon le procédé objet de l'invention, on peut citer notamment: les hydrocarbures gazeux (pro- pane, propylène, etc), le bioxyde de carbone et l'argon, mentionnés dans les exemples indiqués ci-après, et également l'azote (capacité de refroidissement 1,51 à 1, 8 k J /N 1), l'oxyde de carbone CO (capacité de refroidissement: 1, 60 à 1, 88 k J /N 1), le gaz ammoniac (capacité de refroidissement: 2, 51 à 2, 72 k J /M 1), la vapeur d'eau (capacité de refroidissement: 1, 97 à 2, 38 k J /N 1), ainsi que des mélanges de ces divers gaz Il est également possible d'utiliser un gaz de déchets provenant d'un four industriel, par exemple un gaz de convertisseur, un gaz de haut-fourneau, un gaz de four à coke, etc, ou un gaz de combustion d'un four industriel, tel que, notamment, un four de chauf- fage, un four de frittage, etc. Les essais effectués en vue de déterminer les effets du changement de type de gaz de refroidissement ou des dimensions d'une tuyère double sur l'ef- fet refroidissant de la tuyère ont confirmé que l'effet refroidissant désiré pou- vait être obtenu en contrôlant le débit par minute d'un gaz de refroidissement traversant l'intervalle prévu pour le passage de ce gaz refroidissant entre le tube externe et le tube interne de la tuyère double, de manière à satisfaire la relation suivante ( 1) A (k J /N 1) x B (Nl/min) 2510 à 5860 ( k J /cmr min) M Di (cm) x AT (cm) relation dans laquelle A représente la capacité de refroidissement du gaz refroidissant; B est le débit de ce gaz; -T-Di est la circonférence interne du tube externe de la tuyère double; et,Z T représente l'épaisseur de la paroi du tube externe. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en il- lustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les dessins: la Figure 1 est une vue schématique en coupe, par un plan vertical, illustrant un exemple de réalisation d'une tuyère double mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention; 251521 1 la Figure 2 est un graphique illustrant la relation qui existe entre les dimensions de la tuyère et le taux de perte du bain de cette tuyère lors- qu'on détermine la quantité d'hydrocarbure gazeux insufflé en fonction de la quantité d'oxygène soufflé dans le bain métallique; la Figure 3 est un graphique montrant les pertes du bain de la tuyère lorsqu'on modifie le type de gaz de refroidissement utilisé ainsi que son débit, tout en maintenant constantes les dimensions de la tuyère; la Figure 4 est un graphique illustrant la relation qui existe entre la quantité de gaz de refroidissement et le taux de perte du bain de la tuyère lorsqu'on utilise du propane comme gaz refroidissant; la Figure 5 est un graphique montrant la relation qui existe entre la quantité de gaz de refroidissement et le taux de perte du bain de la tuyère lorsqu'on utilise du CO 2 liquide comme gaz refroidissant; et, la Figure 6 est un graphique montrant les domaines de débits de gaz de refroidissement pouvant être utilisés selon l'invention, dans le cas de divers types de gaz de refroidissement, dont les capacités de refroidissement ont été portées en abcisse. On expliquera maintenant l'invention en détail. La demanderesse a recherché l'influence de diverses dimensions de tubes des tuyères à double tubes concentriques et de différents types de gaz de refroidissement sur l'effet refroidissant de la tuyère double, et elle a fait les découvertes suivantes: En premier lieu, en ce qui concerne les dimensions de la tuyère, il s'est confirmé que, lorsque l'épaisseur de la paroi du tube externe formant la tuyère devient plus épaisse, et/ou que la circonférence interne du tube ex- terne devient plus grande, il est plus difficile d'obtenir un effet refroidissant suffisant en utilisant la même quantité de gaz de refroidissement Par consé- quent, lorsque l'épaisseur de la paroi du tube externe augmente, ou que la circonférence interne du tube externe est rendue plus importante, il est néces- saire d'utiliser une quantité accrue de gaz de refroidissement pour obtenir l'effet refroidissant recherché. Ensuite, en ce qui concerne le gaz de refroidissement, on a découvert que, même lorsque l'épaisseur de la paroi et la longueur de la circonférence interne du tube externe conservent les mêmes valeurs, le débit du gaz de re- 4 2515211 froidissement doit être modifié pour obtenir le même effet refroidissant, si le type de gaz de refroidissement diffère. Les résultats des divers essais ont confirmé qu'on pouvait obtenir un effet refroidissant suffisant tout en empêchant la présence d'une perte de bain métallique dans une tuyère multi-tubes concentriques située endessous de la surface du bain, en faisant passer un gaz refroidissant dans le passage prévu dans la tuyère pour ce gaz, de manière que, lorsque la circonférence du pas- sage prévu pour ce gaz refroidissant est représentée par la circonférence du tube externe de la tuyère, la quantité d'extraction de chaleur du gaz de re- froidissement dans ledit passage (la chaleur sensible et la chaleur latente du gaz de refroidissement) est comprise entre 2510 lô Di (cm) x tT (cm > k J /min; et, 5860 lô Di (cm) x "^T (cm)'l k J /min, relations dans lesquelles if Di et CNT ont les mêmes significations que celles indiquées ci-dessus pour l'équation (I). On expliquera ci-après en détail les raisons de cette limitation de la quantité de gaz de refroidissement dans la mise en-oeuvre du procédé selon l'invention. La Figure 1 est une vue en coupe, par un plan vertical, qui illustre la structure d'une tuyère double d'insufflation par le fond d'un récipient d'affinage de métaux (capacité: 10 tonnes), utilisée pour obtenir les données expérimen- tales sur lesquelles repose la présente invention La tuyère double comporte, comme connu, un tube interne 1 pour l'insufflation du gaz d'affinage, constitué principalement d'oxygène, et un tube externe 2 Un gaz de refroidissement est introduit dans l'espace annulaire compris entre le tube extérieur 2 et le tube intérieur 1, par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation 3, reliée à une source de gaz de refroidissement Le tube extérieur 2 est entouré par un gar- nissage réfractaire 4. Le tableau I ci-après précise les dimensions des tuyères doubles utili- sées lors des essais Dans ce tableau: (a) désigne le diamètre interne du tube considéré; (b) désigne le diamètre externe du tube considéré; et, (c) désigne l'épaisseur de la paroi de ce tube. 1521 1 Tableau I Dimension des tuyères Tuyère Tube interne Tube externe No (a) (b) (c) (a) (b) (c) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mmr 1 15 21 3,0 23 29 3,0 2 15 21 3,0 23 27 2,0 3 15 21 3,0 24 27 1,5 4 15 21 3, 0 25 29 2, O 23 29 3,0 31 35 2,0 6 23 29 3,0 31 37 3, O 7 23 29 3 0 33 37 2,0 8 6 10 2,0 12 16 2,0 9 6 9 1,5 11 14 1,5 6 9 1, 5 13 17 Z,0 La Figure Z montre les pertes de bain de la tuy'ere pour différentes valeurs du rapport de la quantité de gaz de refroidissement (propane) à celle de l'oxygène gazeux insufflé, à partir du fond du récipient d'affinage, dans le cas d'une opération d'affinage métallique utilisant les tuyères dont les carac- téristiques sont précisées dans le tableau I ci-dessus Sur la Figure 2, on a porté en abcisse le rapport gaz de refroidissement/O 2 (en % en poids) Les numéros encerclés désignent les numéros des tuyères du tableau I. Il ressort clairement de l'examen de cette Figure Z que, en fonction des dimensions de la tuyère, il n'est pas toujours possible d'obtenir des résultats optimaux lorsqu'on utilise un hydrocarbure gazeux (propane) comme gaz de refroidissement, en contrôlant la quantité de gaz refroidissant insufflé pour qu'elle soit inférieure à 10 % en poids de la quantité d'oxygène insufflé Par ailleurs, lorsqu'on utilise les tuyères n 1 et n 9 (tableau I), les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la quantité d'hydrocarbure gazeux insufflé (propane) est supérieure à 10 % en poids de la quantité d'oxygène insufflé,. Ceci montre qu'un simple contrôle de la quantité de gaz refroidissanit insufflé, effectué de manière que cette quantité représente moins de 10 % en poids de la quantité d'oxygène insufflé ne constitue pas toujours la meilleure façon de protéger cette tuyère. Par ailleurs, on a recherché les pertes en bain de la tuyère pour divers types de gaz de refroidissement, parmi lesquels le CO 2 et l'argon, pour diffé- rentes valeurs de débit Les résultats obtenus sont indiqués sur la Figure 3. Cette dernière montre clairement que les pertes de bain de la tuyère diffèrent grandement avec différents types et/ou différentes valeurs de débit de gaz de refroidissement Sur cette Figure 3, on a indiqué en abcisse le rapport de la quantité de gaz de refroidissement (en % en poids) à celle de l'oxygène. Ces résultats font clairement ressortir qu'un effet de refroidissesre nt suffisant de la tuyère ne peut pas être obtenu avec certitude dans un affinage de métaux simplement en contrôlant la quantité de gaz de refroidissement in- sufflée en fonction de la quantité d'oxygène soufflée dans le bain à affiner Le type de gaz de refroidissement utilisé et les dimensions de la tuyère employée doivent alors être pris en considération pour obtenir un effet de refroidissement suffisant de cette tuyère. En conséquence, pour déterminer la relation qui existe entre les pertes de bain de la tuyère et les dimensions de cette dernière, la demanderesse a évalué les résultats d'essais obtenus en modifiant le le débit du gaz de refroidissement; et, 2 o les dimensions dela tuyère, en utilisant du propane et du CO 2 gazeux comme gaz de refroidissement Les résultats ont été évalués par rapport à la valeur suivante, et on a découvert qu'on pouvait obtenir une protection suffisante de la tuyère en contrôlant la quantité de gaz de refroidissement insufflée, de manière à maintenir cette valeur dans un domaine déterminé (II) B (NI/min) C (Nl/cm min) TFI (cm) x & T (cm) relation dans laquelle: B représente le débit par minute du gaz de refroi- d'issement; -T Di est la valeur de la circonférence interne du tube externe (en d'autres termes, il s'agit de la circonférence externe du passage du gaz de refroidissement); A T représente l'épaisseur de la paroi du tube ex- terne; et C est la quantité de gaz refroidissant délivrée par ce passage. La demanderesse a découvert en outre que la gamme de valeurs indi- quée ci-dessus diffère selon le type de gaz de refroidissement utilisé, comme cela ressort de l'examen des Figures 4 et 5 De façon plus spécifique, cette gamme s'étend de 200 à 400 Nl/cm min pour le propane, alors qu'elle est comprise entre 700 et 1300 Nl/cm min pour le CO La demanderesse pense que cette différence résulte des différences de propriétés des gaz de refroidissement, c'est-à-dire des différences qui existent entre la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur de dé- composition des gaz En d'autres termes, on pense que, lorsqu'on utilise un gaz de refroidissement ayant une moindre modification de quantité de chaleur (modification des quantités de chaleur sensible et de chaleur latente) par NI de gaz de refroidissement (par exemple CO 2), il est nécessaire d'augmenter le débit du gaz de refroidissement par rapport au cas o on utilise un gaz de re- froidissement qui présente une modification importante de la quantité de cha- leur (par exemple du propane). On a donc essayé divers gaz de refroidissement, et on a défini la quan- tité de chaleur par NI comme étant "la capacité de refroidissement du gaz re- froidissant" La relation entre la capacité de refroidissement de chaque gaz refroidissant et la quantité de gaz de refroidissement est illustrée par la Fi- gure 6 pour tous les gaz de refroidissement utilisés lors des essais spécifiés ci-dessus Sur cette Figure, on a porté en abcisse la capacité de refroidisse- ment, et en ordonnée la quantité du gaz de refroidissement délivrée à la tuyère. Les résultats ont montré que: 1 pour un gaz de refroidissement donné, il existe un domaine défini de valeurs du rapport indiqué ci-dessus à l'intérieur duquel on peut em- pêcher l'apparition de pertes de bain de la tuyère; et, 2 ces valeurs sont inversement proportionnelles à la capacité de refroi- dissement du gaz de refroidissement. Sur la Figure 6, le signe " O " indique que les pertes de bain de la tuyère étaient très faibles; le signe " I " indique les régions dans les- quelles les pertes de bain de la tuyère étaient induites par un refroidissement insuffisant; et le signe " X " indique des pertes de bain anormales, provo- quées par l'instabilité du courant de gaz de refroidissement résultant d'un re- froidissement excessif. 8 2515211 En utilisant ltinformation illustrée par la Figure 6, la tuyère peut être protég 6 e efficacement quel que soit le type de gaz de refroidissement utilisé, ou quelles que soient les dimensions de la tuyère, en contrôlant le débit du gaz de refroidissement de manière que A ( k J/N 1) x B (Nl/min) soit compris entre T'Di (cm) x Z T (cm) 2510 et 5860 ( k J /cm min), relation dans laquelle: A, B, 'T Di et AT ont la signification indiquée ci-dessus dans l'équation (I). Les exemples qui suivent, qui n'ont bien entendu aucun caractère limitatif, illustrent l'invention. Exemple 1 - On a utilisé un convertisseur de 100 tonnes comportant quatre tuyères doubles ayant les dimensions précisées ci-après pour affiner de l'acier fondu par soufflage d'oxygène,dans les conditions suivantes Dimensions des tuyères: diamètre interne du tube intérieur 15 mm diamètre externe du tube intérieur: 23 mm diamètre interne du tube extérieur: Z 5 mm diamètre externe du tube extérieur 31 mm Quantité d'O soufflée par les tubes intérieurs 350 Nm 3/heure, par tube. Débit du gaz de refroidissement (GPL) insufflé au travers des 4 tubes: 33 Nm /heure, par tube. Rapport gaz de refroidissement / O: 13 % en poids. Quantité de gaz de refroidissement délivrée dans le passage prévu pour ce gaz, définie par l'équation (II): _ u _ó 3 _ _?, d_ g _l _ _ _: '__ __ l_: 233 Nl/cm min. Dans ces conditions, comme cela ressort clairement de l'examen z de la Figure 4, l'opération se situe dans le domaine 2510-5860 k J /cm min, et la perte de bain des tuyères était de 1 mm/charge, 9 2515211 Exemple de comparaison n 1: On a utilisé un convertisseur de 100 tonnes équipé de quatre tuyère doubles ayant les dimensions indiquées ci-après pour affiner, par soufflage, un bain d'acier fondu, dans les conditions suivantes Dimension des tuyères diamtre interne du tube intrieur 16 mm diamètre inexterne du tube intérieur 19 mm diamètre exinterne du tube inextérieur: 90, 8 mm diamètre inexterne du tube extérieur 25, 4 mm diamètre externe du tube extérieur: 25, 4 nmm Quantité d'oxygène soufflée au travers des 4 tubes internes 567 Nm 3/heure par tube. Débit du gaz de refroidissement (GPL) soufflé au travers des 4 tube N m 3/ heure par tube. Rapport gaz de refroidissement / O gazeux --2- 9,7 %i en poids. Quantité de gaz refroidissant délivrée au passage prévu pour ce ga _ 444 NI/cm min. Dans ces conditions, comme cela ressort clairement de l'examen d la Figure 4, l'opération se situait en dehors du domaine compris entre 2510, 5860 k J /cm min, et les pertes de bain de la tuyère étaient de: 12 mm/ charge. Exemple 2 - On a suivi la même procédure que dans l'exemple 1, en utilisant quatre tuyères doubles, et dans les conditions suivantes Dimensions du S tuyères: diamètre interne du tube intérieur 15 mm diamètre externe du tube intérieur 19 mm diamètre interne du tube extérieur 25 mm diamètre externe du tube extérieur 31 mm Quantité d'oxygène provenant des 4 tubes internes 3, ' 350 Nm 3,' heure par tube. 25 15211 Débit du-gaz de refroidissement (Co)-insufflé au-travers des -z 1 4 tubes 9 88 Nm / heure par tube. Rapport gaz de refroidissement / COQ gazeux 25 % en poids. Quantité de gaz refroidissant délivrée par le passage correspondant: 1000 NI/ cm min. Dans cet exemple, les pertes en bain de la tuyère ont été de 0, 8 mm/charge. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits ou représentés, mais qutelle en en- globe toutes les variantes. il 2515211 REVENDICATIONS Procédé d'affinage d'un bain métallique fondu par soufflage dans ce bain d'un gaz d'affinage entouré par un gaz de refroidissement à l'aide d'une tuyère du type comportant plusieurs tubes concentriques, située endessous de la surface du bain contenu dans un récipient d'affinage, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le débit du gaz de refroidissement traversant le passage prévu pour ce gaz de refroidissement entre le tube ex- terne et le tube interne adjacent de la tuy>re, de manière que A ( k J /Nl x B (Nl/min) soit compris entre 1 Di (cm) x AT (cm) 2510 et 5860 k J /cm min, relation dans laquelle A désigne la capacité de refroidissement du gaz de refroidissement; B est le débit de ce gaz; *Tr Di représente la circonfé- rence inté icure du tube externe; et, AS T est l'épaisseur de la paroi du tube externe. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère multi-tubes est une tuyère à deux tubes concentriques. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de refroidissement utilisé est un hydrocarbure gazeux, du CO, gazeux, du ZO CO gazeux, ou de l'argon. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'hydro- carbure gazeux est du propane ou du propylène. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le gaz d'affinage est de l'oxygène gazeux.