Brevet FR2549489A1 — publié le 19850125

L'invention est relative aux tuyères à vent chaud de hauts-fourneaux et concerne plus particulièrement les tuyères comportant des revêtements isolants ou à faible conductibilité thermique et des chambres séparées de refroidissement avant et arrière. Les tuyères à vent chaud, placées dans la partie inférieure du haut-fourneau, sous les étalages, sont en contact par leurs parties avant avec un milieu de matières solides et gazeuses dont les températures atteignent jusqu'à 22000C. Les tuyères servent à l'injection de vent chaud, qui atteint des températures de l'ordre de 1.2500C actuellement. L'amélioration de la durée de vie des tuyères a jusqu'à présent été le souci permanent des exploitants de hauts-fourneaux, car leurs remplacements impliquent des ralentissements de la marche des hauts-fourneaux, qui se traduisent par des baisses de production et des perturbations de marche. A cet inconvénient s'ajoute le coût des tuyères de remplacement. On a tenté d'accroitre la durée de vie des tuyères par l'amélioration de leur refroidissement ou par leur protection à l'aide de revêtements réfractaires. En outre, on a tenté de retarder le moment du remplacement des tuyères détériorées en les dotant d'une chambre supplémentaire de refroidissement, distincte de la première. En cas de percée de la première chambre, celle-ci est mise hors service, et la chambre supplémentaire permet d'attendre un moment favorable pour le remplacement de la tuyère détériorée, (un arrêt ou un ralentissement programmé du haut-fourneau par exemple). Les tentatives d'accroissement de la durée de vie des tuyères par l'amélioration du refroidissement ont donné le jour à des systèmes de circulation d'eau de plus en plus sophistiqués ayant pour but d'évacuer le maximum de calories. Ces systèmes présentent l'inconvénient de consommations d'eau considérables et d'énergie de pompage élevées. Ils entrainent en outre des pertes thermiques importantes, de l'ordre de 250 à 300 thermies par heure et par tuyère équivalentes à l'enthalpie correspondant à une différence de température du vent chaud de l'ordre de 1000C. Ceci se traduit par une consommation élevée en énergie de réchauffage du vent et en coke consommé par le haut-fourneau. On a tenté d'accroître la durée de vie des tuyères en les dotant d'un bouclier réfractaire (brevets US 2 082 280 et 2 497 000). Le bouclier réfractaire avait pour but d'éviter dans certains cas la fusion du cuivre des tuyères et partant, leur destruction, en abaissant les températures auxquelles elles étaient soumises. Les tuyères étaient dotées de gaufrage (brevet US 2 497 000) ou de surfaces extérieures quadrillées (brevet US 2 082 280) dans le but d'assurer le maintien dans les parties évidées des matériaux réfractaires susceptibles de constituer un bouclier thermique de protection du cuivre.Ces tentatives de création des boucliers thermiques présentent l'inconvénient- que les produits réfractaires insuffisamment maintenus ne résistent ni au rayonnement (parce qu'ils sont soumis à des températures trop élevées) ni au gradient trop important de température entre leurs faces chaudes du côté intérieur du haut-fourneau (environ 2 0000C) et leurs faces froides qui se trouvent au contact du cuivre refroidi (environ 2000C). Compte tenu de la forme particulière du nez diune tuyère, qui est du genre torique, il est en effet très difficile de réaliser un bouclier thermique pour cette partie de la tuyère. Le produit réfractaire, mal maintenu, et soumis à d'intenses contraintes thermiques et mécaniques, se détériore rapidement, par fusion ou écaillage. I1 est plus facile de réaliser un bouclier isolant sur le corps extérieur de la tuyère, mais l'intérêt de cette solution est limité, car les pertes thermiques en provenance de cette partie de la tuyère sont très faibles, celle-ci étant seulement en contact avec le mur réfractaire du creuset du haut-fourneau, et non avec la zone de fusion de la tuyère. Pour palier les inconvénients précités, l'invention a pour but de réaliser une tuyère à vent chaud de haut-fourneau, de durée de vie élevée, à consommation d'eau réduite et à pertes thermiques faibles, afin de diminuer les consommations d'énergie de pompage, de réchauffage du vent et de coke au haut-fourneau. Pour atteindre les buts visés, l'invention a pour objet une tuyère à vent chaud, à économie et répartition d'énergie, pour hauts fourneaux et autres fours à cuve, comportant deux chambres de refroidissement séparées, l'une au nez et l'autre dans le corps de la tuyère, les deux chambres étant alimentées en eau de façon séparée et l'évacuation de cette eau se faisant également de façon séparée, dont le nez et les parois du conduit de vent sont revêtus d'une matière isolante, le nez étant en outre doté d'ailettes pour la rétention du revêtement isolant , cette tuyère comportant la combinaison des éléments essentiels suivants qui coopèrent tous les uns avec les autres - le nez comporte des ailettes circulaires radiales sur sa surface extérieure et axiales sur sa face avant, chaque ailette étant comprise entre deux rainures circulaires comblées, comme connu en soi, de revêtement isolant;; - le nez est doté d'une chambre de refroidissement annulaire d'épaisseur faible par rapport à sa longueur, conçue pour que la surface développée de ses parois, donc la surface d'échange thermique des parois, soit grande pour un volume de chambre faible; - au moins une virole circulaire, solidaire du corps de la tuyère pénètre dans la chambre de refroidissement du nez, sans en toucher les parois à l'exception de la cloison longitudinale servant à l'inversion du sens de circulation de l'eau, pour réduire davantage le volume de la chambre de refroidissement du nez, accroître davantage la surface d'échanges thermiques de ladite chambre, créer une circulation d'eau en lames minces et faire participer également le corps de la tuyère aux échanges thermiques de la chambre de refroidissement du nez; - le corps de la tuyère comporte une chambre de refroidissement distincte de celle du nez;; - la paroi du corps de la tuyère participant à la formation du conduit de vent est revêtue comme connu en soi d'une matière isolante jusqu'à un redan circulaire ménagé sur la paroi du nez participant à la formation du conduit de vent. L'invention sera mieux comprise au vu de la description d'un mode de réalisation préférentiel de la tuyère et des figures ci-jointes, qui représentent Figure 1, une coupe longitudinale de la tuyère suivant l'invention, selon AA de la figure 2; Figure 2 une 1/2--vue arrière de la culasse de la tuyère suivant l'invention et une 1/2 coupe du nez de la même tuyère selon BB de la figure 1; Figure 3 une coupe partielle selon CC de la 1/2 vue arrière de la figure 2; et Figure 4 une vue partielle de la figure 1 montrant une variante de revêtement du nez de la tuyère. La tuyère suivant l'invention (Fig. 1), de préférence en cuivre de très grande conductibilité, se compose d'un nez 1 comportant une partie femelle 2 et d'un corps 3 comportant au moins une partie mâle 4. Le nez 1 et le corps 3 sont assemblés par une soudure 5 en cuivre à haute conductibilité, unissant la face arrière du nez 1 et la face avant du corps 3. Ils forment ainsi un conduit de vent 6. La flèche portée sur l'axe de symétrie XX' de la tuyère, qui montre le sens du soufflage du vent et par conséquent l'emplacement de l'intérieur du haut fourneau, indique de quel côté se trouve l'avant des parties constitutives de la tuyère. Le nez 1 est conçu de préférence extra-plat, d'épaisseur minimale pour que le développement de la surface de la sorte de tore formée par le nez 1 soit le plus faible possible. Les faces extérieures du nez 1, à l'exception de la face participant à la formation du conduit de vent 6, comportent des ailettes circulaires radiales 7 et axiales 8, de préférence usinées dans la masse du cuivre du nez 1, ou coulées de fonderie, plutôt que rapportées par soudage. Les extrémités des ailettes 7 et 8 sont conçues, d'une manière connue, plus larges que leur embase . Le nez 1 comporte un redan 9 radial sur sa face intérieure arrière. La partie femelle 2 est ménagée, sur la face arrière du nez 1, sous forme d'un évidement annulaire mince ouvert du côté arrière. Un produit isolant 10 (qui peut être de l'alumine ou des composés isolants et réfractaires divers à base d'oxydes réfractaires et métalliques) est déposé entre les ailettes 7 et les ailettes 8 jusqu'à affleurement avec les faces externes du nez 1. Le corps 3 de la tuyère, cylindro-conique, comporte une virole extérieure cylindro-conique formant paroi extérieure 11 et une virole intérieure cylindro-conique formant paroi intérieure 12. Les parois 11 et 12 délimitent une chemise d'eau formant une première chambre 13 de circulation d'eau. La chambre 13 qui entoure la paroi 12 est alimentée par au moins une arrivée d'eau 14 (fig. 1 et 2), l'eau étant ensuite évacuée par au moins une sortie 14' (fig. 2), les entrées et sorties d'eau étant prévues sur la face arrière de la culasse 3a de la tuyère. L'extrémité avant du corps 3 est dotée d'une partie male 4 formant au moins une virole circulaire. Les parties femelles 2 du nez et la partie mâle du corps 3 forment une seconde chambre 15 de circulation d'eau, distincte de la première chambre 13. La seconde chambre 15 est alimentée par une arrivée d'eau 16 (fig. 2 et 3) communiquant avec la chambre 15 par un conduit 16'. Un conduit 17' et une évacuation d'eau 17 évacuent l'eau (fig. 3). Les conduits 16' et 17' sont séparés par une paroi 18. La paroi du conduit de vent 6 est réfractaire revêtue d'une couche d'isolant/lg entre le redan 9 et la culasse 3a. Selon une variante de construction (fig. 4), lorsque le produit isolant 10 appliqué sur le nez 1 est du chrome - nickel ou un autre produit métallique à faible conductibilité calorifique, les ailettes 7 et 8 n'affleurent pas à la surface et sont de dimensions différentes. Leur épaisseur est plus forte, alors que leur hauteur est plus faible. Ceci est rendu nécessaire pour obtenir une liaison étroite des soudures entre les ailettes en cuivre, et le produit métallique isolant déposé par soudure. On obtient ainsi un support en creneau qui permet au produit métallique isolant de résister aux contraintes thermiques résultant du gradient de température dans la paroi, et d'éviter son écaillage, tout en opposant une forte résistance thermique au passage du flux de chaleur, par l'épaisseur d'isolant que permet cette conception de la paroi. Le revêtement isolant 10 de chrome - nickel est appliqué sur toute la surface du nez 1 de manière à recouvrir toute It partie du nez 1 en contact avec l'atmosphère du haut fourneau et le vent chaud. La tuyère 1 dont la description vient d'être faite est conçue pour économiser l'énergie, par une diminution du flux entrant, et une répartition optimale de ce flux à l'intérieur de la tuyère. Pour ce faire, comme on l'a dit plus haut, le nez 1 est doté d'ailettes 7 et 8 dont la forme et les dimensions sont définies en vue de créer une importante résistance thermique de passage, dans le but d'abaisser et de limiter le flux de chaleur entrant dans le nez 1. Les ailettes ont également pour but d'assurer le maintien des matériaux susceptibles de constituer une résistance thermique la plus élevée possible et, en tous cas, supérieure à celle du cuivre. La chambre de refroidissement 15 du nez 1 est conçue pour offrir une surface de réception du flux de chaleur maximale pour un débit d'eau donné. La chambre 15 est en forme de lame mince, d'épaisseur très faible par rapport à sa longueur. La surface d'échange maximale est obtenue par la présence dans la partie femelle 2 du nez 1, de une ou plusieurs parties mâles 4 situées à l'extrémité avant du corps 3. Lesdites parties mâles viennent, lors de leur mise en place, constituer deux ou plusieurs chambres en lame mince.Ceci permet de multiplier la surface de la paroi froide réceptrice du flux de chaleur et par conséquent d'abaisser proportionnellement les températures de la paroi froide. I1 en résulte que les températures des parois de cuivre du nez 1 se trouvent également abaissées, ce qui permet de garantir la bonne résistance des ailettes aux contraintes thermiques qu'elles subissent. Les flux thermiques entrant dans le nez 1 de la tuyère sont transmis vers le corps 3 et par celui-ci vers les parties mâles 4par des parois de cuivre d'épaisseur suffisante, de sorte que la chaleur entrant dans le nez 1 revient vers la chambre 15 du nez, après avoir transité dans le corps 3, par l'intermédiaire de la soudure 5. Ceci estrendu possible par le fait que la somme des résistances thermiques de passage à travers les différentes épaisseurs de cuivre est calculée pour être inférieure à la résistance de passage au flux entre la paroi froide de l'extrémité de la chambre avant et l'eau de refroidissement.I1 y a donc une répartition calculée du flux de chaleur à l'intérieur de la tuyère , par équilibrage des différentes résistances thermiques de passage rencontrées par ce flux, par création de tubes de flux de section suffisante pour assurer le transfert de la chaleur à travers le cuivre, jusqu'aux points d'échange de chaleur choisis. Cette conception assure une répartition de la chaleur dans toute la tuyère, et égalise la température du cuivre en ses différentes parties. REVENDICATION Tuyère à vent chaud, à économie et répartition d'énergie, pour hauts fourneaux et autres fours à cuve, comportant deux chambres de refroidissement séparées l'une au nez et l'autre dans le corps de la tuyère, les deux chambres étant alimentées en eau de façon séparée et l'évacuation de cette eau se faisant également de façon séparée, dont le nez et les parois du conduit de vent sont revêtus d'une matière isolante, le nez étant en outre doté d'ailettes pour la rétention du revêtement isolant, carac térisi en ce que :: - le nez (1) comporte des ailettes circulaires radiales (7) sur sa surface extérieure et axiales (8) sur sa face avant, chaque ailette étant comprise entre deux rainures circulaires comblées, comme connu en soi, de revêtement isolant (10), - le nez est doté d'une chambre de refroidissement (15) annulaire d'épaisseur faible par rapport à sa longueur, conçue pour que la surface développée de ses parois, donc la surface d'échange thermique des parois, soit grande pour un volume de chambre faible, - au moins une virole circulaire (4), solidaire du corps (3) de la tuyère, pénètre dans la chambre de refroidissement (15) du nez (1), sans en toucher les parois à l'exception de la cloison longitudinale (18) servant à l'inversion du sens de circulation de l'eau, pour réduire davantage le volume de la chambre de refroidissement (15) du nez (1), accroître davantage la surface d'échanges thermiques de ladite chambre, créer une circulation d'eau en lames minces et faire participer également le corps (3) de la tuyère aux-échanges thermiques de la chambre de refroidissement (15) du nez (1), - le corps (3) de la tuyère comporte une chambre de refroidissement (13) distincte de celle du nez (1), - la paroi (12) du corps (3) de la tuyère partie pant à la formation du conduit (6) de vent est revêtue comme connu en soi d'une matière isolante (19) jusqu'à un redan (9) circulaire ménagé sur la paroi du nez (1) participant à la formation du conduit (6) de vent.