Brevet FR2839904A1 — publié le 20031128

par un agglomerat de fibres metalliques. L' invention concerne de facon generale la technologie des jets coherents. Un progres recent dans le domaine de la projection de gaz est le developpement de la technologie des jets s coherents decrite, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amerique n 5 814 125 et n 6 171 544 de Anderson et collaborateurs. Dans la pratique de cette technologie, un ou plusieurs jets de gaz a haute vitesse ejectes depuis une ou plusieurs buses sur une lance vent maintenus coherents sur une distance relativement longue par l'utilisation d'une enveloppe de flammes s'etendant autour et le long du ou des jets de gaz a haute vitesse. L'enveloppe de flammes est formee par la combustion d'un combustible et d'une comburant ejectes de la lance a partir IS respectivement de deux anneaux d' orifices, un anneau interieur et un anneau exterieur, autour de la buse ou des buses a jet de gaz a haute vitesse. Habituellement, le combustible pour l'enveloppe de flammes est ejecte depuis l'anneau interieur d'orifices et le comburant pour l'enveloppe de flammes est ejecte depuis l'anneau exterieur d' orifices. Un prolongement sur le perimetre de la lance forme une zone protegee de recirculation dans laquelle les fluides du ou des jets de gaz a haute vitesse et de ltenveloppe de flammes vent fournis a partir de la buse ou des buses et des orifices. Cette zone de recirGulation permet une certaine recirculation des fluides ejectes, permettant un meilleur allumage et une meilleure stabilite de l'enveloppe de flammes, renforcant ainsi la coherence et done la longueur du ou des jets de gaz a haute vitesse. Le ou les jets coherents peuvent etre utilises pour distribuer un gaz dans un liquide, tel qu'un metal fondu, a partir d'une distance relativement grande au-dessus de la surface du liquide. Une application tres importante de cette technologie des jets coherents est la fourniture d'oxygene devant etre utilise dans des operations de production d'acier, par exemple dans des fours a arc et des fours basiques a oxygene. Le prolongement de recirculation, bien que constituent un per fe ct ionnement par rapport aux systemes anteri eurs de s jets coherents, introduit certains problemes concernant la conception de la lance et sa duree de vie du fait de la necessite de refroidir par eau l'extremite. Ces problemes vent particulierement preoccupants lorsque le systeme de jet coherent est utilise dans un environnement tres rude ]O tel qu'un four basique a oxygene. Un objet de l' invention est done de proposer un systeme pouvant produire des jets de gaz coherents efficaces sans la necessite d'un prolongement de la lance ou d'un autre element pour etablir une zone de recirculation pour les gaz ejectes de la lance. Les objets ci-dessus ainsi que d'autres objets vent realises par la presente invention dont un aspect porte sur un procede pour etablir au moins un jet de gaz cohrent, comprenant: (A) la sortie d'au moins un jet de gaz d'au moins une buse logee dans une lance ayant une face de lance qui presente un anneau d'orifices entourant la ou les buses; (B) la sortie d'un combustible d'un premier jeu d' orifices de l'anneau et la sortie d'un comburant d'un 2s second jeu d'orifices de l'anneau; et (C) la combustion du combustible et du comburant sortant des premiers et seconds jeux d'orifices de l'anneau pour produire une enveloppe de flammes entourant le ou les jets de gaz. Un autre aspect de l' invention porte sur une lance a jet coherent comportant: (A) une lance ayant une face et ayant au moins une buse presentant une ouverture a la face de la lance; (B) un anneau d'orifices sur la face de la lance 3s autour de l'ouverture ou des ouvertures de la ou des buses; et (C) des moyens destines a fournir un combustible a un premier jeu d'orifices de l'anneau et des moyens destines a fournir un comburant a un second jeu d' orifices de l'anneau. L' expression "face de lance" telle qu'utilisee ici designe la surface d'une lance contigue a un volume d' injection. L' expression "jet coherent" telle qu' utilisee ici designe un jet de gaz qui est forme en ejectant un gaz d'une buse et qui a un profil de vitesse et de force vive sur une longueur d'au moins 20d, ou d est le diametre de sortie de la louse, qui est similaire a son profil de vitesse et de force vive lors de l' ejection a partir de la louse. Un jet coherent peut etre decrit autrement comme etant un jet de gaz dont le diametre ne varie que peu ou pas sur une distance d'au moins 20d. Le terme "longueur" tel qu'utilise ici lorsqu' on fait reference a un jet de gaz coherent designe la distance allant de la buse de laquelle le gaz est ejecte jusqu' au point d' impact prevu du jet de gaz coherent ou jusqu'a l' emplacement ou le jet de gaz cesse d'etre coherent. L' invention sera decrite plus en detail en regard des dessins annexes a titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue de face d'une forme appreciee de realisation d'une face de lance; la figure 2 est une vue en coupe d'une forme appreciee de realisation d'une lance presentant une telle face de lance, qui peut etre utilisee dans la mise en pratique de l'inventioni et la figure 3 est une coupe schematique illustrant la forme de realisation de l' invention des figures 1 et 2 en cours de fonctionnement. Les memes references numeriques designent les memes elements sur les dessins. En reference a present aux figures 1, 2 et 3, un gaz tel qu'indique par une fleche 1 designant un ecoulement, est amene a passer a travers au moins une buse 2, avantageusement une buse convergente/divergente, puis a sortir d'une lance 3 a travers une ouverture ou des ouvertures 4 de buse situees a une face 6 de la lance pour former un courant ou des courants 5 de jet de gaz coherent dans un volume d' injection 7. Habituellement, la vitesse du courant ou des courants de gaz 5 est comprise dans la plage l0 de 210 a 900 metres par seconde (m/s). De preference, la vitesse de chaque courant de gaz 5 est supersonique lors de la formation a l' ejection depuis la face de la lance et reste supersonique sur une distance d'au moins 20d. Bien que les dessins illustrent une forme de realisation utilisant quatre jets de gaz coherents ejectes de la lance a travers respectivement quatre buses, le nombre de jets de gaz ejectes de la lance a travers des buses respectives, dans la pratique de l' invention, peut etre compris entre 1 et 6. Le volume d'injection dans lequel les jets de gaz coherents vent injectes est avantageusement un four de production de metal tel qu'un four de production o'acier. Plus avantageusement, lorsque plusieurs buses vent utilisees, chaque buse est inclinee a l'ecart des autres buses et de l'axe central de la lance. On peut utiliser n'importe quel gaz efficace en tent que gaz pour la formation d'un jet ou de jets coherents dans la mise en pratique de l' invention. On peut citer, parmi ces gaz, l'oxygene, l'azote, ['argon, le dioxyde de carbone, l'hydrogene, l 'helium, la vapeur d'eau et des gaz hydrocarbones. On peut egalement utiliser des melanges comprenant deux ou plus de deux gaz, par exemple de l' air, en tent qu'un tel gaz pour la mise en pratique de ['invention. Un anneau 20 d'orifices est situe sur la face de la lance autour de l'ouverture ou des ouvertures 4 de buses. L'anneau 20 est avantageusement un cercle d'un diametre compris dans la plage de 3,8 a 41 cm. L'anneau 20 presente generalement 12 a 48 orifices. Chaque orifice est avantageusement un cercle ayant un diametre dans la plage de 0,13 a 1,27 cm. Plus avantageusement, comme illustre sur les dessins, l'anneau d'orifices se trouve dans un evidement ou une gorge 21 a la face 6 de la lance. L'evidement 21 presente habituellement une profondeur comprise dans la plage de 0,13 a 5,1 cm et une largeur comprise dans la plage de 0,13 a 1,27 cm. lO Un combustible est fourni a un premier jeu d' orifices 22 sur l'anneau 20 et un comburant est fourni a un second jeu d'orifices 23 sur l'anneau 20. De preference, comme illustre sur la figure 1, le premier jou d'orifices 22 alterne avec le second jeu d'orifices 23 sur l'anneau 20 ]5 afin que chaque orifice 22 a combustible soit adjacent a deux orifices 23 a comburant de part et d'autre de cet orifice a combustible, et que cheque orifice 23 a comburant soit adjacent a deux orifices 22 a combustible de part et d'autre de cet orifice a comburant. Le combustible et le comburant vent ejectes de la lance 3 depuis leurs orifices respectifs dans un volume d'ejection 7. La vitesse du combustible et du comburant ejectes de l ' anneau d' orifices peut etre subsonique, mais est avantageusement une vitesse sonique. La vitesse sonique du combustible et du comburant injectes amplifie le rejet de matieres etrangeres, les empechant d'entrer dans les orifices et de les obturer, ce qui est particulierement important lorsque l' invention est utilisee dans un environnement rude tel qu'un four de production d'acier. Si cela est souhaite, la vitesse du combustible et du comburant injectes peut etre supersonique, egale a une vitesse superieure a Mach 1 et pouvant atteindre Mach 2. Le combustible ejecte des orifices 22 est avantageusement gazeux et peut etre n'importe quel combustible tel que du methane ou du gaz natu^el. Le comburant ejecte des orifices 23 peut etre de l 'air, de l' air enrich) en oxygene ayant une concentration d' oxygene depassant celle de l' air, ou de l'oxygene industrial ayant une concentration d'oxygene d'au moins 90 moles pour cent. Le comburant est avantageusement un fluide ayant une concentration d'oxygene d'au moins 25 moles pour cent. Le combustible et le comburant sortant de la lance forment une enveloppe gazeuse autour du ou des jets de gaz , laquelle brule pour former une enveloppe ou gaine de flammes 24 autour du ou des jets de gaz 5 a l'interieur du volume d'injection tel qu'un four pour metal en fusion. L'enveloppe de flammes 24 entourant les courants de gaz 5 sert a empecher les gaz ambiants d'etre entraines dans les courants de gaz, empechant ainsi la vitesse des courants de gaz de diminuer notablement et le diametre des courants de gaz d' augmenter notablement, sur au moins une distance de d a partir de la sortie des buses respectives. Autrement dit, l'enveloppe ou gaine 24 de flammes sert a etablir et maintenir des courants de gaz 5 sous la forme de jets coherents sur une distance d'au moins 20d a partir de la sortie des buses respectives. Un avantage important de l' invention est l' aptitude a former des jets de gaz coherents efficaces a partir d'une lance sans la necessite d'utiliser un prolongement sur la lance. On utilisait jusqu'a present un prolongement de lance pour former une zone protegee de recirculation adjacente a la face de la lance afin d'ameliorer l'allumage et la combustion des gaz d'enveloppe de flammes qui vent injectes dans cette zone protegee de recirculation, ameliorant ainsi la coherence des jets de gaz. Bien que l'utilisation d'un tel prolongement de la lance constitue un progres notable par rapport a la pratique initiale des jets de gaz coherents, l'utilisation d'un tel prolongement pose des problemes. Dans la pratique de l' invention, les gaz ejectes de la lance vent introduits directement dans le volume dtinjection sans passer a travers une zone protegee ou zone de recirculation formee par un prolongement de la lance, tout en permettant de maintenir la coherence amelioree observee avec l'utilisation d'un prolongement de lance. On a procede a des essais pour evaluer l'efficacite de l' invention en utilisant un certain nombre de conceptions differentes pour l'alimentation en gaz d'enveloppe de flammes. Le combustible utilise dans les essais etait du gaz naturel et le comburant utilise dans les essais avait une concentration d'oxygene de 99 moles pour cent et il est appele oxygene secondaire. Dans chaque essai, la lance comportait quatre buses pour la production des jets de gaz. Le gaz pour les jets etait de ltoxygene ayant une purete de 99 moles pour cent et il est appele oxygene principal. On rencontre ci-dessous des essais qui vent presentes a titre illustratif et n'entendent pas etre limitatifs. On a procede a des essais pour evaluer l'efficacite de l' invention et pour mieux comprendre le role de ltecartement des orifices pour le gaz naturel (GN) et le comburant. On a procede aux essais en maintenant constamment a 16 le total du nombre des orifices pour la formation de l'enveloppe (8 orifices a GN et 8 a comburant), tout en faisant varier l'ecartement des orifices en modifiant le diametre du cercle forme par les orifices. Le diametre du cercle des buses principales a ete maintenu constant. On a essaye des gorges annulaires pour favoriser la stabilisation de la flamme. Ci-dessous, le rapport de listel (RL) est defini comme etant la division de l'ecartement entre les perimetres des orifices (listel) par la somme des rayons des orifices, RL = listel/(Rso+RGN). Lors de chaque essai, le combustible et le comburant ont ete fournis a travers des orifices alternants sur l'anneau unique d' orifices entourant les buses. Conceptions des injecteurs: - L'injecteur n 1 etait d'une conception a 16 orifices au total. Le diametre du cercle etait de 5,397 cm. Le rapport de listel etait RL = 0,67. - L'injecteur n 2 etait d'une conception a 16 orifices au total. Le diametre du cercle etait de 8,25 cm. Le rcpport est RL = 1,56. - L'injecteur n 3 etait d'une conception a 16 orifices au total. Le diametre du cercle etait de 10,79 cm. Le rapport etait RL = 2,34. Conditions: - Oxygene principal = 1133 m3/h d'oxygene dans des conditions normales (pression manometrique d'alimentation de 1155 kPa). - Buses principales = diametre de sortie/diametre de gorge de 0,96 cm/0,66 cm, angle de divergence de 12 . - Vitesse du GN = 201 m/s (a un debit de 142 m3/h dans des conditions normales). - Vitesse de l'oxygene secondaire = 96 m/s (a un debit de 113 m3/h dans des conditions normales). - Aucun prolongement de recirculation. - Gorges = 0,714 cm de largeur x 0,63 cm de profondeur. Injecteur n 1: Pour un ecoulement constant de GN de 142 m3 par heure dans des conditions normales, on a obtenu des jets coherents excellents, typiquement de 50,8 cm, depassant la longueur de la conception classique a deux anneaux. La flamme etait stable sur une large gamme de conditions. L'injecteur n'a pas ete essaye avec une gorge annulaire. Injecteur n 2: Sans gorge, la longueur des jets ccherents a legerement diminue en comparaison avec l'injecteur n 1. Lorsqu'une gorge a ete ajoutee, la longueur des jets coherents a ete amelioree et a depasse les resultats obtenus avec l'injecteur n 1. 3s Injecteur n 3: Sans gorge, la longueur des jets coherents etait sensiblement plus course. La flamme etait produite dans un mode de decollement, rendant les jets coherents plus courts. L' addition d'une gorge a stabilise la gaine ou enveloppe, ce qui a about) a un retablissement de la longueur complete des jets coherents. En vue d'eliminer si possible l'obturation des orifices de production de l'enveloppe dans un four basique a oxygene, on a procede a des essais pour observer si les orifices pouvaient etre mis en uvre dans des conditions d'ecoulement sonique. On a essaye plusieurs conceptions a l0 un seul anneau. Les orifices pour le gaz naturel et l'oxygene secondaire ont ete dimensionnes pour fonctionner a Mach 1 lorsque les debits d'ecoulement de gaz naturel et d'oxygene secondaire etaient respectivement de 142 m3/h et 114 m3/h dans des conditions normales. Des gorges annulaires de differentes profondeurs ont ete ajoutees pour stabiliser l'enveloppe de flammes. Conception des injecteurs: L'injecteur n 4 etait d'une conception a anneau unique ayant 32 orifices au total. Les diametres des orifices pour le GN et l'oxygene secondaire etaient de 0,25 cm. Diametre de l'anneau = 5,08 cm et RL = 0,96. L'injecteur n 5 etait d'une conception a un seul anneau avec 24 orifices au total. Les diametres des orifices pour le GN et l'oxygene secondaire etaient de 0,292 cm. Diametre de l'anneau = 5,08 et RL = 1,28. L'injecteur n 6 etait d'une conception a anneau unique a 16 orifices au total. Les diametres des orifices a GN et a oxygene secondaire etaient de 0,358 cm. Diametre de l'anneau = 5,08 cm et RL = 1,79. L'injecteur n 7 etait d'une conception a anneau unique avec 32 orifices au total. Les diametres des orifices a GN et a oxygene secondaire etaient de 0,25 cm. Diametre de l'anneau = 6,98 cm et RM = 1,70. Conditions: - Oxygene principal = 1133 m3/h d'oxygene dans des conditions normales (pression manometrique d'alimentation de 1155 kPa). - Buses = diametre de sortie/diametre de gorge 0,96 cm/0,66 cm, angle de divergence de 12 degree. - Vitesse de GN = 409 m/s (Mach 1) (a 192 m3/h dans des conditions normales). - Vitesse de l'oxygene secondaire = 295 m/s (Mach 1) (a 113 m3/h) dans des conditions normales). - Pas de prolongement. - Dimensions des gorges = variees (largeur x profondeur). Injecteur n 4: Sans gorge, la longueur du jet coherent etait mauvaise, ce qui a provoque la formation d'une flamme decollee. On a obtenu de bons jets coherent s pour des gorges de 1,25Dx1,25D et de 1,25Dx2D. [Notation pour les gorges = largeur x profondeur; D = diametre des orifices]. Injecteur n 5: Sans la gorge, la lance etait difficile a allumer (instable). On a obtenu de bons jets coherents pour des gorges de lDxlD, lDx1,5D et lDx2D. Injecteur n 6: Sans la gorge, la lance etait tres difficile a allumer; les longueurs des jets coherents etaient essentiellement les valeurs sans enveloppe. La gorge a stabilise la combustion de l'enveloppe; cependant, on a obtenu des jets coherents relativement mauvais meme avec une gorge relativement profonde de lDx2D. Injecteur n 7: Sans la gorge, on a obtenu de mauvais jets coherents. On a obtenu de bons jets coherents avec une gorge de 1,25Dx1,25D. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportees au procede et a la lance decrits et representes sans sortir du cadre de l' invention. REVENDICATIONS l. Procede pour etablir au moins un jet de gaz coherent, caracterise en ce qutil comprend les etapes qui consistent: (A) a faire sortir au moins un jet de gaz (5) d'au moins une buse (2) logee dans une lance (3) ayant une face (6) qui presente un anneau (20) d'orifices entourant la buse ou les buses) (B) a faire sortir un combustible d'un premier jeu d' orifices (22) de l'anneau et a faire sortir un comburant d'un second jeu d' orifices (23) de l'anneau; et (C) a bruler le combustible et le comburant sortant des premier et second joux d'orifices de l'anneau pour produire une enveloppe de flammes (24) entourant le jet de gaz ou les jets de gaz. 2. Procede selon la revendication l, caracterise en ce qu'on fait sortir plusieurs jets de gaz (5) de la lance. 3. Procede selon la revendication l, caracterise en ce qu'on fait sortir le combustible et le comburant du premier jeu d' orifices et du second jeu d' orifices, respectivement, qui alternent sur l'anneau d' orifices. 4. Procede selon la revendication l, caracterise en ce qu'on fait sortir le jet de gaz ou les jets de gaz et le combustible et le comburant de la lance directement dans un volume dtinjection (7) sans passer par une zone de recirculation formee par un prolongement de la lance. 5. Procede selon la revendication l, caracterise en ce que le jet de gaz ou les jets de gaz parcourent chacun une distance d'au moins 20d, ou d est le diametre de sortie de la buse de laquelle on fait sortir le jet de gaz, tandis que le diametre du jet de gaz est maintenu sensiblement constant. 6. Lance a jets coherents, caracterisee en ce qutelle comporte: () une lance (3) ayant une face (6) et ayant au moins une buse (2) presentant une ouverture (4) a la face de la lance; (B) un anneau (20) d'orifices sur la face de la lance entourant l'ouverture de la buse ou les ouvertures des buses) et (C) des moyens pour fournir du combustible a un premier jeu d'orifices (22) de l'anneau et des moyens pour fournir du comburant a un second jou d'orifices (23) de l'anneau. 7. Lance a jets coherents selon la revendication 6, caracterisee en ce qu'elle comporte plusieurs buses (2). 8. Lance a jets coherents selon la revendication 6, caracterisee en ce que l'anneau d'orifices est situe dans un evidement (21) de la face de la lance. 9. Lance a jets coherents selon la revendication 6, caracterisee en ce que les orifices du premier jeu alternent avec les orifices du second jeu. 10. Lance a jets coherents selon la revendication (6), caracterisee en ce qu'elle ne comporte pas de prolongement formant une zone de recirculation adjacente a la face de la