Brevet FR2841486A1 — publié le 20040102

L'invention concerne de façon générale la technologie des jets cohérents. Un progrès récent notable dans le domaine de la projection de gaz au moyen d'une lance est le développement de la technologie des jets cohérents décrite, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 5 814 125 et NO 6 171 544 de Anderson et collaborateurs. Dans la pratique de cette technologie, un ou plusieurs jets de gaz à haute vitesse éjectés d'une ou plusieurs buses sur une lance sont maintenus cohérents sur une distance relativement longue par l'utilisation d'une enveloppe de flammes s'étendant autour et le long du ou des jets de gaz à haute vitesse. L'enveloppe de flammes est formée par la combustion d'un combustible et d'un comburant éjectés de la lance à partir respectivement de deux anneaux d'orifices décalés, un anneau intérieur et un anneau extérieur, autour de la buse ou des buses à jets de gaz à haute vitesse. Habituellement, le combustible pour l'enveloppe de flammes est éjecté depuis l'anneau intérieur d'orifices et le comburant pour l'enveloppe de flammes est éjecté depuis l'anneau extérieur d'orifices. Un prolongement sur le périmètre de la lance forme une zone protégée de recirculation dans laquelle les fluides du jet ou des jets de gaz à haute vitesse et de l'enveloppe de flammes sont fournis à partir de la buse ou des buses et des orifices. Cette zone de recirculation permet une certaine recirculation des fluides éjectés, permettant un meilleur allumage et une plus grande stabilité de l'enveloppe de flammes, renforçant ainsi la cohérence et donc la longueur du jet ou des jets de gaz à haute vitesse. Le jet ou les jets cohérents peuvent être utilisés pour introduire un gaz dans un liquide, tel que du métal en fusion, à partir d'une distance relativement longue au-dessus de la surface du liquide. Une application très importante de cette technologie des jets cohérents est la fourniture d'oxygène devant être utilisé dans des opérations de production d'acier, par exemple dans des fours à arc et des fours basiques à oxygène. Le prolongement de recirculation, bien que constituant un perfectionnement par rapport aux systèmes antérieurs de jets cohérents, pose certains problèmes concernant la conception et la durée de vie de la lance du fait de la nécessité de refroidir l'extrémité avec de l'eau. Ces problèmes sont particulièrement préoccupants lorsque le système de jets cohérents est utilisé dans un environnement très rude tel qu'un four basique à oxygène. Un objet de l'invention est donc de proposer un système pouvant produire des jets de gaz cohérents efficaces sans la nécessité d'un prolongement de la lance ou d'un autre élément pour établir une zone de recirculation pour les gaz éjectés de la lance. L'objet ci-dessus ainsi que d'autres objets qui apparaîtront aux spécialistes de la technique à la lecture de ce mémoire sont réalisés par la présente invention dont un aspect est: Un procédé pour établir au moins un jet de gaz cohérent comprenant: (A) la sortie d'au moins un jet de gaz d'au moins une buse logée dans une lance ayant une face de lance, laquelle face de lance présente un premier anneau d'orifices entourant la buse ou les buses et un second anneau d'orifices entourant la buse ou les buses et espacé radialement du premier anneau d'orifices, chaque orifice du second anneau étant aligné avec un orifice du premier anneau; (B) la sortie d'un combustible de l'un des anneaux d'orifices et la sortie d'un comburant de l'autre anneau d'orifices, le jet ou les jets de gaz et le combustible et le comburant sortant de la lance en pénétrant directement dans un volume d'injection sans passer par une zone de recirculation formée par un prolongement sur la lance; et (C) la combustion du combustible et du comburant sortant des premier et second anneaux d'orifices pour produire une enveloppe de flammes entourant le jet ou les jets de gaz. Un autre aspect de l'invention est Une lance à jets cohérents comportant (A) une lance ayant une face de lance et ayant au moins une buse présentant une ouverture à la face de lance et ne comportant pas de prolongement pour former une zone de recirculation adjacente à la face de la lance; (B) un premier anneau d'orifices entourant l'ouverture ou les ouvertures de buse et un second anneau d'orifices espacé radialement du premier anneau d'orifices autour de l'ouverture ou des ouvertures de buse, chaque orifice du second anneau étant aligné avec un orifice du premier anneau; et (C) des moyens destinés à fournir un combustible à l'un des anneaux d'orifices et des moyens destinés à fournir un comburant à l'autre anneau d'orifices. L'expression "rayon de la face de lance" telle qu'utilisée ici désigne une ligne imaginaire s'étendant du centre d'une face de lance jusqu'au périmètre de cette face de lance. Le terme "aligné" tel qu'utilisé ici signifie le fait d'intercepter le même rayon de la face de la lance. Le terme "prolongement" tel qu'utilisé ici désigne toute structure, reliée physiquement ou non à une lance, qui sert à former un volume protégé ou une zone protégée à proximité immédiate de la face de la lance. L'expression "face de lance" telle qu'utilisée ici désigne la surface d'une lance contiguÙ à un volume d'injection. L'expression "jet cohérent" telle qu'utilisée ici désigne un jet de gaz qui est formé en éjectant un gaz d'une buse et qui présente un profil de vitesse et de force vive sur une longueur d'au moins 20d, o d est le diamètre de sortie de la buse, qui est similaire à son profil de vitesse et de force vive lors d'une éjection depuis la buse. Une autre façon de décrire un jet cohérent est de le définir comme un jet de gaz dont le diamètre ne varie que peu ou pas sur une distance d'au moins 20d. Le terme "longueur" tel qu'utilisé ici en référence à un jet de gaz cohérent signifie la distance allant de la buse de laquelle le gaz est éjecté jusqu'au point d'impact prévu du jet de gaz cohérent ou jusqu'à l'emplacement o le jet de gaz cesse d'être cohérent. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'une forme appréciée de réalisation d'une face de lance; - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une forme appréciée de réalisation d'une lance ayant une telle face de lance, qui peut être utilisée dans la mise en pratique de l'invention; et - la figure 3 est une coupe illustrant en fonctionnement la forme de réalisation de l'invention représentée sur les figures 1 et 2. Les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur tous les dessins. En référence à présent aux figures 1, 2 et 3, un gaz tel qu'indiqué par une flèche 1 désignant un écoulement est amené à passer à travers au moins une buse 2, avantageusement une buse convergente/divergente, puis à sortir d'une lance 3 à travers une ouverture ou des ouvertures 4 de buse situées à une face 6 de la lance pour former un courant ou des courants 5 de jet de gaz cohérent dans un volume d'injection 7. Habituellement, la vitesse du courant ou des courants de gaz 5 est comprise dans la plage de 210 à 900 mètres par seconde (m/s). De préférence, la vitesse du courant ou des courants 5 de gaz est supersonique lors de la formation à l'éjection de la face de la lance et elle reste supersonique sur une distance d'au moins 20d. Bien que les dessins illustrent une forme de réalisation utilisant quatre jets de gaz cohérents éjectés depuis la lance respectivement à travers quatre buses, le nombre de jets de gaz éjectés depuis la lance à travers des buses respectives dans la pratique de l'invention peut être compris dans la plage de 1 à 6. Le volume d'injection dans lequel les jets de gaz cohérents sont injectés est avantageusement un four de production de métal, tel qu'un four de production d'acier. Plus avantageusement, lorsque plusieurs buses sont utilisées, chaque buse est inclinée en s'éloignant des autres buses et de l'axe central de la lance. On peut utiliser n'importe quel gaz efficace en tant que gaz pour la formation d'un jet ou de jets cohérents dans la mise en pratique de l'invention. On peut citer, parmi ces gaz, l'oxygène, l'azote, l'argon, le gaz carbonique, l'hydrogène, l'hélium, la vapeur d'eau et des gaz d'hydrocarbure. On peut également utiliser des mélanges comprenant deux ou plus de deux gaz, par exemple de l'air, en tant que tels gaz pour la mise en pratique de l'invention. Un premier anneau 30 d'orifices est placé sur la lance autour de l'ouverture ou des ouvertures 4 de buse et un second anneau 31 d'orifices est situé sur la lance autour de l'ouverture ou des ouvertures 4 de buse et est espacé radialement vers l'extérieur du premier anneau 30 d'orifices. L'anneau 30 est avantageusement un cercle ayant un diamètre compris dans la plage de 3,8 à 51 cm et l'anneau 31 est avantageusement un cercle ayant un diamètre compris dans la plage de 4,45 à 58,5 cm. Chacun des anneaux et 31 comporte généralement 4 à 48 orifices et chaque orifice est avantageusement un cercle ayant un diamètre compris dans la plage de 0,13 à 3,18 cm. Chaque orifice du second anneau 31 d'orifices est aligné avec un orifice du premier anneau 30 d'orifices, bien que l'efficacité de l'invention ne disparaisse pas si soit le premier anneau , soit le second anneau 31, ou encore l'ensemble des deux anneaux 30 et 31, contient un ou un petit nombre d'orifices supplémentaires qui ne sont pas alignés avec un orifice de l'autre anneau. Un combustible est fourni à l'un des deux anneaux d'orifices, avantageusement l'anneau intérieur ou premier anneau 30, et un comburant est fourni à l'autre anneau d'orifice, avantageusement l'anneau extérieur ou second anneau 31. Le combustible et le comburant sont éjectés de la lance 3 depuis leur anneau respectif d'orifices dans un volume 7 d'injection. La vitesse du combustible et du comburant éjectés des anneaux d'orifices peut être subsonique, sonique ou supersonique. Une vitesse sonique et supersonique du combustible et du comburant injectés favorise le rejet des matières étrangères afin de les empêcher d'entrer dans les orifices et de les obturer, ce qui est particulièrement important lorsque l'invention est utilisée dans un environnement rude tel qu'un four de production d'acier. Si cela est souhaité, la vitesse du combustible et du comburant injecté peut être supersonique, allant d'une vitesse supérieure à Mach 1 jusqu'à Mach 2. Le combustible éjecté des orifices est avantageusement gazeux et peut être n'importe quel combustible tel que du méthane ou du gaz naturel. Le comburant éjecté des orifices se trouvant sur l'autre anneau peut être de l'air, de l'air enrichi en oxygène ayant une concentration d'oxygène dépassant celle de l'air, ou de l'oxygène industriel ayant une concentration d'oxygène d'au moins 90 moles %. Le comburant est avantageusement un fluide ayant une concentration d'oxygène d'au moins 25 moles %. Le combustible et le comburant sortant de la lance forment une enveloppe gazeuse autour du ou des jets de gaz 5 qui brle pour former une enveloppe ou gaine 24 de flammes entourant le jet ou les jets de gaz 5 à l'intérieur du volume d'injection tel qu'un four pour métal en fusion. L'enveloppe 24 de flammes entourant les courants de gaz 5 sert à empêcher le gaz ambiant d'être aspiré dans les courants de gaz, empêchant ainsi la vitesse des courants de gaz de diminuer notablement et empêchant le diamètre des courants de gaz d'augmenter notablement, au moins sur une distance de 20d à partir de la sortie des buses respectives. Autrement dit, l'enveloppe de flammes ou la gaine de flammes 24 sert à établir et maintenir des courants de gaz 5 sous forme de jets cohérents sur une distance d'au moins 20d à partir de la sortie des buses respectives. Un aspect important de l'invention et un avantage notable de l'invention sont constitués par la possibilité de former des jets de gaz cohérents efficaces à partir d'une lance sans la nécessité d'utiliser un prolongement sur la lance. On utilisait jusqu'à présent un prolongement de lance pour former une zone protégée de recirculation adjacente à la face de la lance afin d'améliorer l'allumage et la combustion des gaz de la gaine de flammes qui sont injectés dans cette zone protégée de recirculation, améliorant ainsi la cohérence des jets de gaz. Bien que l'utilisation d'un tel prolongement de lance constitue un perfectionnement notable par rapport à la pratique initiale des jets de gaz cohérents, l'utilisation d'un tel prolongement pose des problèmes. Dans la pratique de l'invention, les gaz éjectés de la lance sont introduits directement dans le volume d'injection sans passer à travers une zone protégée ou zone de recirculation formée par un prolongement de lance, tout en permettant de maintenir la cohérence améliorée observée avec l'utilisation d'un prolongement de lance. On a procédé à des essais pour évaluer l'efficacité de l'invention et on a procédé à des essais comparatifs pour démontrer l'avantage de l'invention. Le combustible utilisé dans les essais était du gaz naturel et le comburant utilisé dans les essais avait une concentration d'oxygène de 99 moles % et est appelé oxygène secondaire. Dans chaque essai, la lance comportait quatre buses pour la production des jets de gaz. Le gaz pour les jets de gaz était de l'oxygène d'une pureté de 99 moles % et est appelé oxygène principal. Les résultats des essais dont il est rendu compte ci-dessous sont présentés à titre illustratif et n'entendent pas être limitatifs. Chacune des quatre buses a été conçue de façon à admettre 283 m3/h, dans des conditions normales de température et de pression, d'oxygène principal sous une pression manométrique d'alimentation de 1155 kPa pour une fourniture totale d'oxygène principal de 1132 m3/h. Chaque buse avait des diamètres de sortie et de gorge respectivement de 0,96 cm et 0,66 cm et était inclinée vers l'extérieur d'un angle de 12 degrés par rapport à l'axe central de la lance. Le combustible était fourni à un anneau intérieur de 16 orifices ayant chacun un diamètre de 0,391 cm, le diamètre de l'anneau étant de 3,96 cm. A des fins d'essai comparatif, de l'oxygène secondaire était fourni à un anneau extérieur de 12 orifices ayant chacun un diamètre de 0,58 cm, le diamètre de l'anneau étant de , 398 cm et les orifices étant décalés ou en quinconce par rapport aux orifices de l'anneau intérieur. Les débits d'écoulement du combustible et de l'oxygène secondaire étaient respectivement de 142 m3/h et 113 m3/h dans des conditions normales de température et de pression, donnant des vitesses respectives de 201 m/s et 96 m/s. La lance comportait un prolongateur de recirculation d'une longueur de 1,27 cm. Cette conception classique a produit de bons jets cohérents d'une longueur d'environ 46 cm, mais la longueur à chuté à 41 cm lorsque la longueur du prolongateur de recirculation a été réduite à 0,64 cm et a chuté encore à 36 cm lorsque la longueur du prolongateur de recirculation a été réduite à 0,25 cm. En l'absence de tout prolongateur de recirculation, l'enveloppe de flammes est devenue instable et le jet de gaz a perdu sa cohérence. On a répété l'essai, mais en utilisant l'invention dans laquelle l'anneau extérieur avait 16 orifices d'un diamètre de 0,505 cm aligné chacun avec un orifice de l'anneau intérieur. Aucune réduction de la longueur des jets cohérents n'est apparue et, même sans prolongateur sur la lance, les jets cohérents étaient stables et avaient une longueur de 46 cm. En plus des essais dont il est rendu compte cidessus, qui utilisaient un agencement de quatre buses similaire à celui illustré sur les dessins, on a procédé à des essais et des essais comparatifs similaires à ceux décrits ci-dessus avec une lance ayant une seule buse et un anneau intérieur de 5,08 cm de diamètre, ayant 16 orifices de 0,391 cm de diamètre, et un anneau extérieur de 6,98 cm de diamètre, ayant 16 orifices de 0,505 cm de diamètre. Dans une série d'essais, les orifices de l'anneau extérieur étaient décalés par rapport aux orifices de l'anneau intérieur et, dans une autre série d'essais, les orifices de l'anneau extérieur étaient alignés avec les orifices de l'anneau intérieur. La buse présentait des diamètres de sortie et de gorge respectivement de 2,06 cm et 1,57 cm et l'oxygène principal était fourni à raison de 1019 m3/h, dans des conditions normales de température et de pression, sous une pression manométrique de 700 kPa. Les débits d'écoulement et les vitesses du combustible et de l'oxygène secondaire étaient les mêmes que dans les essais décrits précédemment. Lorsqu'on a diminué la longueur du prolongateur à moins de 1,27 cm, la gaine de flammes présentait des instabilités sautillantes avec la configuration décalée ou non alignée et la longueur des jets cohérents est tombée notablement d'environ 127 cm à moins de 102 cm. Par contre, avec la configuration alignée de l'invention, l'enveloppe de flammes est restée stable et la longueur des jets cohérents est restée à environ 127 cm même en l'absence de prolongateur sur la lance. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à la lance décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour établir au moins un jet de gaz cohérent, caractérisé par les étapes qui consistent (A) à faire sortir au moins un jet de gaz d'au moins une buse (2) logée dans une lance (3) ayant une face de lance (6), cette dernière présentant un anneau (30) d'orifices entourant la buse ou les buses et un second anneau (31) d'orifices entourant la buse ou les buses et espacé radialement du premier anneau d'orifices, chaque orifice du second anneau d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau d'orifices; (B) à faire sortir un combustible de l'un des anneaux d'orifices et à faire sortir un comburant de l'autre anneau d'orifices, le jet de gaz ou les jets de gaz et le combustible et le comburant sortant de la lance directement dans un volume d'injection (7) sans passer par une zone de recirculation formée par un prolongateur sur la lance; et (C) à brler le combustible et le comburant sortant des premier et second anneaux d'orifices pour produire une enveloppe (24) de flammes entourant le jet ou les jets de gaz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jet ou les jets de gaz sortant de la lance ont une vitesse supersonique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait sortir plusieurs jets de gaz de la lance. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du combustible et du comburant sortant des premier et second anneaux d'orifices est sonique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du combustible et du comburant sortant des premier et second anneaux d'orifices est supersonique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jet ou les jets de gaz et le combustible et le comburant sortent de la lance pour entrer dans un four à métal en fusion. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jet ou les jets de gaz parcourent chacun une distance d'au moins 20d, o d est le diamètre de sortie de la buse de laquelle le jet de gaz sort, tandis que le diamètre du jet de gaz est maintenu sensiblement constant. 8. Lance à jets cohérents, caractérisée en ce qu'elle comporte: (A) une lance (3) ayant une face de lance (6) et ayant au moins une buse (2) présentant une ouverture (4) à la face de lance, mais ne comportant aucun prolongateur pour former une zone de recirculation adjacente à la face de lance; (B) un premier anneau (30) d'orifices entourant l'ouverture ou les ouvertures de buse et un second anneau (31) d'orifices espacé radialement du premier anneau d'orifices autour de l'ouverture ou des ouvertures de buse, chaque orifice du second anneau d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau d'orifices; et (C) des moyens pour fournir du combustible à l'un des anneaux d'orifices et des moyens pour fournir du comburant à l'autre anneau d'orifices. 9. Lance à jets cohérents selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs buses (2). 10. Lance à jets cohérents selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque buse est inclinée en s'éloignant de l'axe central de la lance.