Brevet FR2647121A1 — publié le 19901123

Bloc d'insufflation en céramique réfractaire et procédé pour insuffler des gaz de traitement dans un réceptacle de masse métallurgique fondue. L'invention concerne un bloc d'insufflation en céramique réfractaire pour insuffler de l'oxygène dans la masse de métal fondu d'un réceptacle de masse métallurgique fondue et un procédé pour insuffler des gaz de traitement dans un réceptacle contenant une masse métallurgique fondue. Il est connu par exemple pour les fours à arc électrique de fabrication d'acier, et en plus de l'énergie électrique, de souffler dans l'enceinte du four ou dans l'enceinte du four et dans la masse métallurgique fondue des combustibles contenant du carbone et de l'oxygène ou des gaz contenant de l'oxygène, comme par exemple de l'air. Un procédé de ce type est connu par le document EP-A-257450. L'oxygène est dirigé dans la partie supérieure du four vers l'enceinte du four par des dispositifs appropriés. I1 est également connu, par exemple par EP-A-182965 d'insuffler de l'oxygène par le bas dans la masse de métal fondu par des dispositifs appropriés. Un bloc d'insufflation de gaz destiné à être monté sur la sole est également montré dans le document EP-B-112769. Le bloc d'insufflation connu est de section rectangulaire. Au centre et axialement passe un tube pour insuffler l'oxygène, qui est entouré à une certaine distance par un tube extérieur, alors qu'un combustible est envoyé par l'interstice entre les deux tubes. En outre, le bloc d'insufflation est subdivise en divers segments en forme de quadrilatères qui sont disposés les uns par rapport aux autres à l'aide d'éléments d'écartement de manière à déterminer des espaces intermédiaires entre les segments individuels, qui vont d'un côté du bloc d'insufflation jusqu'au côté opposé. Les segments individuels sont supportés par le dessous. Un problème posé par l'utilisation de blocs d'insufflation de gaz soufflant de l'oxygène, de ce type, consiste dans le fait que notamment dans la région où l'oxygène pénètre dans la masse de métal fondu, le matériau réfractaire subit également une usure rapide par brûlage. Ceci vaut également pour le bloc d'insufflation connu par le document EP-B-112769 où se forment des températures de réaction très élevées lors de la rencontre de l'oxygène avec le combustible qui est amené concentriquement. Le but de la présente invention consiste donc à fournir un bloc d'insufflation en céramique réfractaire destiné à insuffler de l'oxygène au moyen duquel on puisse augmenter la durée de vie de ce bloc, c'est-à-dire sa durée de fonctionnement, tout en conservant simultanément les avantages de l'insufflation de l'oxygène, à savoir une économie d'énergie. L'invention se base sur le fait que ce but peut être atteint notamment quand le courant d'oxygène qui est envoyé dans la masse de métal fondu par un tube d'amenée approprié est dirigé de façon "commandée". On a en outre constaté que l'on pouvait obtenir ce résultat en particulier en établissant autour de la conduite d'amenée d'oxygène un courant gazeux concentrique qui "dirige" le courant d'oxygène par la position de sortie vers la masse de métal fondu en disposant en outre une pluralité de canaux d'amenée de gaz à une certaine distance autour de la conduite d'amenée d'oxygène, qui garantissent de la même manière une amenée sensiblement verticale du courant d'oxygène par la position d'entrée dans la masse de métal fondu. Ainsi, on constitue pratiquement une "double enveloppe protectrice" autour de l'amenée d'oxygène, ce qui permet d'insuffler des gaz de refroidissement ou un gaz inerte par le passage annulaire concentrique et également par les divers canaux de passage. Pour atteindre le but mentionné ci-dessus, il est en outre important que le courant de gaz de ref-roidissement/inerte qui est insufflé concentriquement au courant d'oxygène par l'enceinte annulaire est alimenté par une conduite d'amenée propre alors que les autres canaux de passage sont associés à une amenée de gaz qui leur est propre et de préférence centrale. Donc, le nouveau bloc d'insufflation destiné à l'insufflation d'oxygène dans la masse de métal fondu d'un réceptacle à masse métallurgique fondue est caractérisé dans son mode de réalisation général par les caractéristiques suivantes - un canal à gaz central et axial formé par un tube, - un tube extérieur entourant le tube à une certaine dis tance, de telle sorte que - les tubes sont positionnés en formant un canal annulaire entre eux, ainsi que - une pluralité de canaux de passage disposés sensiblement parallèlement aux tubes et traversant la matrice du bloc d'insufflation de gaz, qui sont répartis statistiquement autour des tubes et qui débouchent dans une chambre dis tributrice de gaz sur le côté qui est à l'opposé de la masse de métal fondu, - la chambre distributrice de gaz, le canal annulaire et les tubes sont rendus étanches les uns par rapport aux autres et peuvent être raccordés à des conduites d'amenée de gaz séparées. La conformation constructive du bloc d'insufflation est donc choisie de manière qu'elle soit raccordée à trois systèmes à gaz séparés après montage dans le fond d'un réceptacle contenant une masse métallurgique fondue. Le tube central est alimenté en oxygène par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée d'oxygène. Grâce à une source de gaz séparée, l'interstice annulaire est alimenté en gaz de refroidissement. Une troisième source de gaz a pour fonction d'insuffler un courant de gaz inerte par l'intermédiaire d'une chambre distributrice de gaz dans les canaux de passage individuels et de là dans la masse de métal fondu. Les diverses amenées de gaz fonctionnent indépendamment les unes des autres. Ceci permet de leur appliquer des pressions différentes. C'est ainsi que le courant gazeux qui est introduit dans l'interstice annulaire entre les deux tubes centraux peut être envoyé sous une pression supérieure-à celle de l'oxygène, de manière à mieux protéger ce dernier, du moins dans la région de contact direct avec la masse de métal fondu, et à l'introduire dans cette masse. De façon correspondante, la pression du gaz qui alimente les autres canaux de passage pourrait être réglée sur un niveau supérieur, ce qui permettrait d'obtenir un effet sensiblement égal. Contrairement à un bloc d'insufflation de gaz tel qu'il est décrit dans le document EP-B-112769, le nouveau bloc d'insufflation a pour avantage que le courant d'oxygène est protégé par une première enveloppe gazeuse qui circule concentriquement au courant d'oxygène et un autre courant de gaz inerte sert à une protection additionnelle du courant d'oxygène. En ce sens, il est particulièrement avantageux que les ouvertures de sortie de plusieurs canaux de passage soient disposées surun ou plusieurs cercles imaginaires autour des tubes concentriques. De toute manière, on est certain que la pluralité de canaux de passage individuels autour du canal d'amenée d'oxygène central permet de commander de façon dirigée le courant d'oxygène dans la masse de métal fondu. Une caractéristique essentielle du bloc d'insufflation consiste en l'insufflation de gaz inerte autour du courant d'oxygène et selon une subordination voulue par rapport à celui-ci. Du fait de la constitution du bloc d'insufflation en trois sections différentes, ainsi que cela sera décrit plus loin, il est également possible d'insuffler des gaz de traitement différents dans la masse fondue. Alors que par exemple, un gaz de refroidissement ou gaz inerte "X" peut être envoyé par l'interstice annulaire concentrique, l'amenée séparée d'un courant de gaz inerte par les canaux de passage restants permet l'utilisation d'un gaz inerte différent "Y". Un autre perfectionnement d'une amenée de gaz inerte commandée peut être obtenu en disposant les canaux de passage individuels non pas précisément parallèlement au tube d'amenée d'oxygène mais selon une légère inclinaison en direction de l'extrémité supérieure du tube d'amenée d'oxygène. A cet effet, les canaux de passage individuels sont situés à leur extrémité située du côté du raccord à gaz à une plus grande distance du tube extérieur qu'au niveau de leurs ouvertures de sortie vers la masse de métal fondu. Le courant de gaz inerte n'est donc pas soufflé parallèlement au courant d'oxygène dans la masse de métal fondu mais "en oblique" par rapport à ce dernier, ce qui fait que par un agencement annulaire des canaux de passage, on établit un courant de gaz inerte de forme conique. Aussi bien les tubes centraux que les canaux de passage peuvent être constitués par des tubes en céramique ou en métal. L'utilisation d'éléments métalliques est préférée ainsi que cela sera expliqué dans ce qui suit, et également sans problème du fait que l'on évite légèrement un brûlage provenant de l'agencement selon l'invention. Le canal à gaz formé par le tube a un diamètre plus important que celui des canaux de passage, le rapport des diamètres étant de 2 à 10. Selon un mode de réalisation, il est prévu de munir le bloc d'insufflation d'une enveloppe de tôle, du moins à son extrémité qui est du côté du raccord à gaz, qui recouvre aussi bien la surface périphérique que le fond du bloc d'insufflation, naturellement à l'exception de la région de raccordement pour le passage des gaz. Ainsi que cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit et sur les différentes figures, les petits tubes métalliques peuvent être par exemple soudés à l'enveloppe de tôle. La chambre distributrice de gaz mentionnée dans le préambule et de laquelle partent les divers canaux de passage peut être constituée de façons diverses. I1 est ainsi possible de constituer le matériau de la matrice du bloc d'insufflation avec un retour sur le côté du fond, dans lequel la chambre distributrice de gaz est constituée en même temps que par le fond en tôle, chambre dans laquelle peut alors déboucher une conduite d'amenée de gaz et de laquelle peuvent partir les canaux de passage. Dans ce mode de réalisation, les tubes centraux d'amenée d'oxygène ou du courant de gaz de refroidissement concentrique traversent vers le bas le fond de l'enveloppe de tôle, le tube extérieur étant soudé de façon étanche aux gaz au fond de l'enveloppe de tôle.Le tube extérieur peut alors traverser directement et d'un seul tenant le bloc d'insufflation jusqu'à l'extrémité située du côté de la sortie du gaz. I1 est également possible de le constituer en deux parties et de souder les deux parties l'une à l'autre dans la section supérieure de la chambre distributrice de gaz, ou encore de les relier l'une à l'autre de façon étanche aux gaz par un filetage approprié. En tout cas, on réalise un tube extérieur qui est fiable. Le positionnement du tube intérieur peut être assuré en prévoyant entre le tube extérieur et le tube intérieur divers éléments d'écartement disposés radialement. Ceux-ci sont de préférence de faible section et ont la forme de tiges pour ne pas réduire inutilement la section de passage pour le gaz inerte. Mais ils peuvent être également constitués par des tôles orientées verticalement pour diriger additionnellement le courant de gaz dans le canal annulaire. On peut réaliser un ensemble différent en faisant en sorte que le tube intérieur dépasse le tube extérieur à son extrémité inférieure libre et en le soudant en cet endroit de façon étanche aux gaz. L'amenée de gaz par le canal annulaire est alors prévue en un endroit séparé. La chambre distributrice de gaz peut cependant être constituée de manière que la section périphérique de l'enveloppe de tôle se prolonge vers le bas au-delà du fond du bloc d'insufflation et qu'un autre fond soit disposé à une certaine distance du premier fond, qui limite avec le premier fond et avec la section périphérique de l'enveloppe de tôle la chambre distributrice de gaz, par laquelle les tubes concentriques centraux passent vers le bas, le tube extérieur étant dans ce cas également soudé à la tôle de la chambre distributrice de gaz. Dans ce mode de réalisation, les tubes individuels peuvent être facilement fixés aux sections de tôle associées par des soudures appropriées. Deux modes de réalisation de ce bloc sont décrits ci-après plus en détail en référence au dessin annexé dans lequel Figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un bloc d'insufflation en coupe longitudinale, Figure 2 représente un second mode de réalisation d'un bloc d'insufflation en coupe longitudinale, Figure 3 est une vue de dessus du bloc de figure 2. Sur les figures, les éléments similaires ou à fonctions similaires sont désignés par les mêmes références. Le bloc d'insufflation 10 est constitué en un matériau 12 dont la matrice est en céramique réfractaire largement imperméable aux gaz, et se présente sensiblement sous la forme d'un tronc de cône. Le bloc d'insufflation 10 comprend à son extrémité inférieure 10a une enveloppe de tôle 14 qui entoure périphériquement l'extrémité inférieure 10a du bloc d'insufflation 10 et qui recouvre le fond 16 de ce bloc 10. La partie périphérique est prolongée vers le bas au-delà du fond 16, et à une certaine distance de la première tôle dé fond 14a est disposée une seconde tôle de fond 14b qui forme une chambre distributrice de gaz 18 dans laquelle débouche par le bas un tube d'amenée de gaz 20. Au centre du bloc d'insufflation 10 est disposé un tube métallique 22 qui le traverse complètement depuis sa surface frontale supérieure 24 et sort par l'intermédiaire de la chambre distributrice de gaz 18, où il est raccordé à un dispositif d' amenée de gaz représenté schématiquement par la flèche A. Le tube central 22 est entouré concentriquement, et à une certaine distance, par un tube métallique extérieur 26 qui part également de la surface frontale supérieure 24 et traverse la chambre distributrice de gaz 18 en-passant par la tôle de fond inférieure 14b. Comme on peut le voir sur les figures, le tube métallique 22 dépasse du tube extérieur 26 vers le bas et les deux tubes 22, 26 sont reliés de façon étanche aux gaz par une soudure 28 dans la région de la liaison. Une tubulure de raccord de gaz 30 débouche latéralement dans le tube extérieur 26 et peut être raccordée à un dispositif d'amenée de gaz qui est représenté schématiquement par la flèche B. Le tube extérieur 26 est soudé dans la région de l'ouverture correspondante 32 de la tôle de fond 14b à cette tôle de fond 14d. Une autre liaison par soudure est réalisée entre le tube extérieur 26 et la tôle de fond supérieure 14a dans la région de l'ouverture 34. Sur des lignes circulaires (imaginaires) situées autour des tubes concentriques 22, 26 sont disposés une pluralité de canaux de passage 36 également constitués par des petits tubes métalliques qui vont de la surface frontale supérieure 24 à la tôle de fond supérieure 14a et déterminent ainsi une liaison entre la chambre distributrice de gaz 18 et la surface frontale 24 du bloc d'insufflation 10. Ces petits tubes métalliques sont soudés à la tôle de fond 14a comme le tube 26. Après le montage du bloc d'insufflation sur le fond d'un réceptacle à masse métallurgique fondue, de l'oxygène est insufflée par le dispositif d'amenée de gaz A et par le tube 22 dans la masse de métal fondu. Un gaz de refroidissement tel que du méthane est insufflé par le dispositif d'amenée de gaz B dans l'interstice annulaire 38 compris entre les tubes 22, 26 et introduit également vers le haut dans la masse de métal fondu, où le gaz de protection commence par diriger le courant d'oxygène central et craque ensuite en formant du CO et de l'oxygène. On pourrait insuffler par exemple du propane à la place du méthane. Finalement, un gaz inerte tel que de l'argon ou de l'azote est introduit par l'intermédiaire du dispositif d'amenée de gaz (flèche C) par le tube d'amenée de gaz 20 dans la chambre distributrice de gaz 18 et de là, introduit simultanément dans la masse de métal fondu par les canaux de passage 36. Le voile de gaz inerte ainsi formé facilite la protection du courant d'oxygène de la même manière que le courant de gaz de refroidissement concentrique. I1 est possible de déterminer des variantes de procédé pour des utilisations spécifiques par des alimentations de gaz de refroidissement ou inerte différentes ainsi que par des pressions différentes des gaz fournis. Le bloc d'insufflation selon la figure 2 se différencie de celui de la figure 1 du fait que la matrice en matériau réfractaire 12 de ce bloc d'insufflation 10 comprend dans la région inférieure 10a un retour 37 qui forme, avec la tôle de fond 14a, la chambre distributrice de gaz 18. Dans ce mode de réalisation, on peut éliminer le prolongement de l'enveloppe de tôle 14 et de la tôle de fond inférieure 14b. Le tube extérieur 26 est à nouveau soudé à la tôle de fond 14a dans la région de l'ouverture 22. La figure 2 montre également l'agencement d'un dispositif pour déterminer l'épaisseur subsistante du bloc. Ce dispositif est constitué par un tube métallique 50 qui, partant de la tôle de fond 14a, est disposé parallèlement au tube métallique 22 dans le bloc d'insufflation 10. La tôle de fond 14a présente dans la position de raccordement une ouverture 52 à laquelle peut être raccordée une conduite à gaz (non représentée). L'extrémité supérieure 54 du tube se termine à une certaine distance de la surface frontale 24 et est fermée. le tube se trouve ainsi continuellement sous une pression de gaz. Si le bloc d'insufflation s'use de plus en plus, la masse de métal fondu se rapproche de l'extrémité supérieure 54- jusqu'à ce que soit atteinte une température pour laquelle l'extrémité fermée est en fusion. Les gaz remontent alors vers le haut à partir du tube et la pression gazeuse qui est mesurée de façon continue à l'extérieur diminue. Ceci peut être indiqué par des moyens optiques ou accoustiques. L'opérateur saint que le bloc d'insufflation est suffisamment usé pour être remplacé. A la partie inférieure de la figure 2 est montrée schématiquement une vue en plan indiquant l'agencement des canaux de passage 36 qui sont disposés par groupes respectifs de huit sur des cercles (imaginaires) autour des tubes 22, 26 et renforcent ainsi de façon positive la protection apportée au courant d'oxygène central, notamment dans la région de transition entre le bloc d'insufflation et la masse de métal fondu. REVENDICATIONS 1. Bloc d'insufflation en céramique réfractaire destiné à l'insufflation d'oxygène dans la masse de métal fondu d'un réceptacle à masse métallurgique fondue, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison 1.1 un canal à gaz axial et central formé par un tube (22), 1.2 un tube extérieur (26) entourant le tube (22) à une cer taine distance, 1.3 les tubes (22, 26) étant positionnés en formant entre eux un interstice annulaire (38), ainsi que 1.4 une pluralité de canaux de passage (36) sensiblement parallèles aux tubes (22, 26) et passant par le matériau de la matrice du bloc d'insufflation (10) et répartis statis tiquement autour des tubes (22, 26), qui débouchent par leur côté qui est à l'opposé de la masse de métal fondu dans une chambre distributrice de gaz (18), 1.5 la chambre distributrice de gaz (18), le canal annulaire (38) et le canal à gaz formé par le tube (22) étant rendus étanches les uns par rapport aux autres et pouvant être rac cordés à des conduites d'amenée de gaz séparées (A, B, C). 2. Bloc d'insufflation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux de passage (36) sont disposés de manière que les ouvertures de sortie de plusieurs canaux de passage (36) soient disposées sur un ou plusieurs cercles imaginaires autour des tubes (22, 26). 3. Bloc d'insufflation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux de passage individuels (36) sont situés à leur extrémité située du côté du raccord à gaz à une plus grande distance du tube extérieur (26) qu'au niveau de leurs ouvertures de sortie vers la masse de métal fondu. 4. Bloc d'insufflation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubes (22, 26) et/ou les canaux de passage (36) sont constitués par des tubes en céramique ou en métal. 5. Bloc d'insufflation selon-l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le canal à gaz forme par le tube (22) a un diamètre plus important que celui des canaux de passage (36). 6. Bloc d'insufflation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre du tube (22) est d'environ deux à dix fois plus important que le diamètre de chaque canal de passage individuel (36). 7. Bloc d'insufflation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par une enveloppe de tôle (14) qui recouvre au moins la section (10a) de la surface périphérique du bloc d'insufflation (10) située du côté du raccord à gaz ainsi que son fond (16), à l'exception de la région de raccordement pour le passage du gaz. 8. Bloc d'insufflation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau (12) de la matrice du bloc d'insufflation comprend sur son fond un retour (37) par lequel est formée la chambre distributrice de gaz (18) dans laquelle débouche le tube d'amenée de gaz (20) et de laquelle partent les canaux de passage (36) et par laquelle les tubes (22, 26) sont dirigés vers le bas par la tôle de fond (14a) de l'enveloppe de tôle (14), le tube extérieur (26) étant soudé au fond (14a) de l'en- veloppe de tôle (14). 9. Bloc d'insufflation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la section périphérique de l'enveloppe de tôle (14) est prolongée vers le bas au delà du fond (16) du bloc d'insufflation et présente à une certaine distance du premier fond (14a) un second fond (14b) qui limite avec le premier fond (14a) et la section périphérique de l'enveloppe de tôle (14) la chambre distributrice de gaz (18), par laquelle les tubes (22,26) sortent vers le bas, le tube extérieur (26) étant soudé à la tôle de fond (14b) de la chambre distributrice de gaz (18) 10.Bloc d'insufflation selon -l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la section du tube extérieur (26) qui fait saillie vers le bas est de constitution fermée et comprend un raccord à gaz (30) pour un dispositif d'amenée de gaz (B > ainsi qu'une ouverture par laquelle passe le tube (20) de façon étanche aux gaz, et est positionnée concentriquement au tube extérieur (26). 11. BloF d'insufflation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par plusieurs éléments d'écartement radiaux entre le tube (22) et le tube extérieur (26). 12. Bloc d'insufflation selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 ou 9 à 11, caractérisé en ce que les canaux de passage (36) sont constitués par des petits tubes métalliquesqui sont soudés à la tôle de fond (14a) de l'enveloppe de tôle (14). 13. Bloc d'insufflation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'un dispositif indicateur d'une usure prédéterminée du bloc d'insufflation est disposé dans le matériau de la matrice du bloc d'insufflation (10). 14. Bloc d'insufflation selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif est constitué par un tube (50) qui est fermé à son extrémité libre dans le matériau de la matrice du bloc d'insufflation (10) et qui peut être raccordé à à son extrémité qui sort du bloc d'insufflation à une conduite de gaz sous pression, l'extrémité fermée au moins (54) du tube (50) étant constituée en un matériau qui fond ou brûle quand est atteinte une température déterminée quand augmente l'usure du bloc d'insufflation (10). 15, Procédé pour insuffler des gaz de traitement dans une masse de métal fondu contenue dans un réceptacle à masse métallurgique fondue en utilisant un bloc d'insufflation selon 1 'une quelconque des rev endications 1 à 14, dans lequel de l'oxygène est insufflé par le tube interne (22), un gaz de refroidissement et/ou inerte par l'interstice annulaire (38) compris entr e le tube (22) et le tube extérieur (26), et un gaz inerte par les canaux de passage (36), 16. Procédé selon la revendication 15, comprenant la mesure consistant à insuffler en tant que gaz de refroidissement du méthane ou du propane et en tant que gaz inerte de l'argon ou de l'azote. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les courants de gaz individuels sont insufflés sous des pressions différentes.