Brevet FR2581395A1 — publié le 19861107

Dispositif d'injection de matières solides divisées dans un four, notamment un haut-fourneau sidérurgique, et applications. L'invention concerne l'injection de matières solides divisées, de préférence pulvérulentes, dans un four, notamment dans un haut-fourneau. Plus particulièrement, dans le cas d'unhaut-fourneau sidérurgique, les matières injectées peuvent être des oxydes métalliques, tels que du minerai de fer, et introduites au moyen d'une tuyère spécialisée directement dans la zone de réaction à haute température du haut-fourneau. Bien que l'invention puisse, dans d'autres applications, être utilisée pour l'injection, par exemple, de charbon pulvérulent dans des fours de combustion, on se référera par la suite, pour des raisons de clarté de l'exposé, au cas de l'injection de matières dans un haut-fourneau sidérurgique pour la production de fonte. Classiquement, ces injections sont des additions refroidissantes dont l'effet doit être compensé par un apport de chaleur procuré avantageusement par des torches électriques à plasma d'arc. Un dispositif d'injection du type considéré est connu entre autres par le document FR-A-2512313. Malheureusement, ce document ne décrit que très schématiquement le dispositif et ne s'attarde pas sur les difficultés de réalisation pratique de la tuyère qui doit résister à des températures très élevées et des conditions d'abrasion sévères. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'injection simple et résistant permettant effectivement la mise - en oeuvre de l'injection de matières solides divisées accompagnée d'un apport calorifique à haute température par torches à plasma. Pour atteindre ce but, le dispositif selon l'invention comprend une torche à plasma, une tuyère prolongeant la torche et au moins une buse d'injection des matières solides en aval de la torche; la tuyère comporte une partie aval sensiblement cylindrique ou tronconique légèrement convergente et une partie amont tronconique divergente; la torche à plasma est placée coaxialement à la tuyère à l'entrée de la partie amont de la tuyère, et la buse d'injection des matières solides débouche obliquement dans la partie amont de la tuyère de manière que ces matières soient entraînées dans le jet de plasma et qu'une partie d'entre elles soient projetées sur la paroi interne de la tuyère. On obtient de la sorte un autogarnissage de la parmi interne de la tuyère qui d'une part limite les pertes thermiques et d'autre part joue un rôle protecteur de la paroi de la tuyère à l'égard de l'abrasion et des hautes températures. De plus, la couche trouve automatiquement une épaisseur d'équilibre. L'effet d'autogarnissage est favorisé si les matières sont conditionnées en poudre. Afin d'optimiser le garnissage de la paroi intérieure de la tuyère, il est avantageux que l'angle de conicité de la partie amont de la tuyère corresponde à l'angle d'expansion naturelle du jet de plasma. Dans la même optique, on peut conformer spécialement la paroi interne de la tuyère pour favoriser l'accrochage des matières projetées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation préféré. Il sera fait référence à la figure unique annexée qui représente en coupe le dispositif de l'invention. On y voit la tuyère I débouchant dans la zone de réaction 2 d'un hautfourneau sidérurgique, dont on a seulement représenté le blindage 3. La tuyère I comporte intérieurement une partie aval sensiblement cylindrique 4 d'axe 5, que précède une partie amont 6 en forme de tronc de cone divergent de même axe 5. Le passage intérieur de la tuyère est refroidi par des moyens conventionnels (circulation d'eau par exemple) symbolisés par les pointillés 7. Une torche à plasma 8 est disposée dans le prolongement axial de la tuyère 1, son électrode aval 9 venant en butée sphérique contre l'arrière de la tuyère 1, de telle manière que le jet de plasma débouche directement dans la partie conique 6 de la tuyère. La conicité de celle- ci est de préférence égale à l'angle naturel d'expansion du jet de plasma (couramment 11 ). Des buses d'injection 10 viennent déboucher obliquement dans la partie conique 6 de la tuyère et sont reliées à une source d'alimentation en matière pulvérulente (oxydes de fer par exemple) et en gaz porteur. La matière pulvérulente injectée rencontre le jet de plasma dans une zone à très haute température, plus de 4000 0C. La matière pulvérulente passe à l'état liquide, et l'essentiel est emporté par le jet de plasma dans la zone de réaction du haut-fourneau. Mais en raison de l'agencement du dispositif de l'invention, une partie de la matière à tendance à venir se plaquer contre la paroi interne refroidie de la tuyère, d'autant que ce phénomène est favorisé par l'effet de tourbillon du jet de plasma (existence d'un vortex). Il se forme alors sur la paroi interne de la tuyère 1 une couche 11 dont l'épaisseur est autorégulée: la matière en excès fond et tend à être emportée par le jet injecté. L'autogarnissage de la paroi interne de la tuyère peut être favorisé en prévoyant sur celle-ci une zone d'accrochage: notamment en y disposant des picots ou inserts réfractaires. Pour la même raison, on peut prévoir que la partie aval 4 de la tuyère soit réalisée sous forme tronconique légèrement convergente. Les parties aval 4 et amont 6 de la tuyère peuvent être réalisées en une seule pièce ou an plusieurs pièces. Bien entendu, l'invention s'étend au delà de l'exemple décrit ci-avant et s'applique à l'injection de matières solides finement divisées quelle que soit leur nature (oxyde métallique, matière carbonée telle du charbon, coke, etc.) ou leur conditionnement (poussières sèches ou humides, ou sous forme de pulpe, par exemple une pulpe aqueuse minerai-eau ou charboneau, etc.). REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection de matières solides finement divisées, dans un four, notamment dans un haut-fourneau, dispositif du type comportant une tuyère (4,6) débouchant dans un haut-fourneau, au moins une buse d'injection (10) des matières et une torche à plasma (8), caractérisé en ce que la tuyère comporte une partie aval (4) sensiblement cylindrique ou tronconique légèrement convergente et une partie amont (6) tronconique divergente, en ce que la torche (8) est placée coaxialement à la tuyère (4,6) à l'entrée de la partie amont (6) de la tuyère, et en ce que la buse d'injection des matières (10) débouche obliquement dans la partie amont (6) de la tuyère de manière que les matières soient entraînées dans le jet de plasma et qu'une partie d'entre elles soient projetées sur la paroi interne de la tuyère. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de conicité de la partie amont (6) de la tuyère correspond à l'angle d'expansion naturelle du jet de plasma. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que la paroi interne de la tuyère (4,6) est spécialement conformée pour favoriser l'accrochage des matières projetées. 4. Application du dispositif selon la revendication 1 à un haut-fourneau sidérurgique caractérisée en ce que les matières solides injectées sont du minerai de fer. 5. Application selon la revendication 4, caractérisée an ce que le minerai de fer est conditionné en pulpe aqueuse. 6. Application du dispositif selon la revendication 1 à un four de combustion caractérisée en ce que les matières solides injectées sont du charbon.