Brevet FR2860243A1 — publié le 20050401

La présente invention concerne une buse multi-jets et une lance multi- jets pour l'injection de gaz, du type comportant un corps généralement axisymétrique au travers duquel sont ménagées plusieurs tuyères adjacentes s'étendant entre des extrémités ouvertes amont et aval définissant dans cet ordre un sens de circulation dans les tuyères, lesdites tuyères ayant leur axe décalé angulairement par rapport à l'axe du corps, les axes des tuyères s'écartant les uns des autres de l'extrémité amont vers l'extrémité aval des tuyères, chaque tuyère comportant, à son extrémité amont, un cône convergent suivant le sens de circulation, lequel cône est délimité par une surface tronconique. Pour l'élaboration de l'acier, il est connu d'injecter de l'oxygène dans la fonte et/ou l'acier en fusion à partir d'une lance multi-jets dont une buse d'extrémité est déplaçable à la surface du bain d'acier. La buse de la lance est positionnée au-dessus du bain d'acier depuis la surface de celui-ci. Elle est formée dans un bloc massif de cuivre avec une circulation d'eau permanente pour son refroidissement. Afin de répartir l'oxygène sur toute la surface du bain métallique, la buse est équipée de plusieurs tuyères. Le nombre de tuyères est compris par exemple entre 3 et 6. Pour un convertisseur de 300 tonnes, et afin d'assurer un débit instantané de 60 000 Nm3/h, la buse comprend 4 à 6 tuyères permettant la formation d'autant de jets, propres chacun à assurer un débit de 10 000 à 15 000 Nm3/h. La pression d'alimentation de l'oxygène est de l'ordre de 10 à 20 bars tandis que la pression dans le réacteur est proche de la pression atmosphérique. Les différents jets sont divergents de quelques degrés par rapport à l'axe vertical de la lance pour élargir la zone d'impact. Afin d'obtenir un jet à vitesse supersonique pour améliorer la pénétration du jet dans le métal liquide, il est souhaité que chaque tuyère soit une tuyère de Laval. Les tuyères sont indépendantes les unes des autres. Les dimensions des tuyères de Laval nécessitent que la buse de la lance soit volumineuse, surtout du fait de l'inclinaison des différentes tuyères par rapport à l'axe vertical de la lance. Dans la pratique, et afin que la buse de la lance ait une dimension acceptable, la géométrie des tuyères est simplifiée, par exemple en diminuant la longueur théorique d'une ou plusieurs parties de la tuyère, soit en augmentant les angles des tronçons divergents et convergents. La simplification du dimensionnement des tuyères de Laval par rapport au dimensionnement idéal réduit la longueur d'iso-vélocité et donc la pression totale du jet à l'impact du bain. Cette limitation de la force de pénétration du jet dans le bain implique de réduire la distance entre la sortie de la tuyère et la surface du bain de métal pour garantir une pression totale acceptable lorsque le jet arrive sur le bain métallique et obtenir les réactions chimiques souhaitées. Cette distance réduite entre la lance et le bain entraîne de plus fortes contraintes thermiques sur la buse de la lance avec une réduction de la durée de vie de la buse. La présente invention a pour but de proposer une buse de lance qui ait une taille réduite, tout en permettant d'obtenir en sortie une pression totale des jets satisfaisante. A cet effet, l'invention a pour objet une buse de lance multi-jets du type précité, caractérisée en ce que les surfaces tronconiques des cônes 20 convergents des tuyères adjacentes sont sécantes. Suivant des modes particuliers de réalisation, la buse comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - chaque tuyère présente, entre le cône convergent et son extrémité aval, un cône divergent suivant le sens de circulation; - chaque tuyère comporte, dans sa partie médiane, un tronçon cylindrique reliant le cône convergent et le cône divergent; chaque tuyère comporte un tronçon cylindrique prolongeant le cône divergent jusqu'à l'extrémité aval; - chaque tuyère présente les caractéristiques dimensionnelles d'une 30 tuyère de Laval optimisée, au moins entre une section du cône convergent et l'extrémité aval du cône divergent; - la longueur totale mesurée suivant l'axe de la tuyère du tronçon du cône convergent dont la surface périphérique est tronquée par l'intersection avec la surface périphérique d'au moins une tuyère adjacente est comprise entre 25 % et 90 % de la longueur totale du cône convergent mesurée suivant l'axe de la tuyère; et - l'axe des tuyères est décalé angulairement par rapport à l'axe du 5 corps de la tuyère. L'invention a également pour objet une lance multi-jets d'injection de gaz comportant un tube d'amenée de gaz équipé à son extrémité libre d'une buse multi-jets telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va 10 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une buse selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective de trois quarts arrière de la 15 buse selon l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective de trois quarts avant de la buse selon l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une des cinq tuyères de la buse de la figure 1; et - les figures 5 et 6 sont des courbes montrant respectivement le profil de la pression totale sur l'axe et le profil du nombre de mach sur l'axe en fonction de la distance axiale pour une tuyère de l'état de la technique et une tuyère d'une buse selon l'invention, les courbes correspondant à une tuyère de l'état de la technique étant notées A et celles correspondant à une tuyère selon l'invention étant notées I. Sur la figure 1 est représentée une buse multi-jets 10 selon l'invention. Cette buse est destinée à être disposée à l'extrémité d'une conduite d'amenée d'oxygène pour former une lance multi-jets d'injection d'oxygène dans de l'acier en fusion. La buse est généralement axisymétrique d'axe longitudinal X-X. Elle présente une longueur totale de 400 mm et un diamètre de 406 mm. La buse est formée d'un corps 12 massif qui a été usiné dans un bloc de cuivre ou une pièce de fonderie en cuivre. Le corps délimite cinq tuyères identiques 14 régulièrement réparties autour de l'axe X-X permettant la formation de cinq jets en sortie. Ces tuyères présentent chacune un axe longitudinal Y-Y. Les axes longitudinaux des tuyères sont décalés de l'axe longitudinal X-X de la buse et délimitent avec celle-ci un angle, par exemple de 10 . Les axes YY des tuyères sont concourants suivant l'axe X-X. Chaque tuyère présente une extrémité amont 16 et une extrémité aval 18, le sens normal de circulation de l'oxygène au travers des tuyères s'effectuant de l'extrémité amont 16 vers l'extrémité aval 18. Le point de concours des axes Y-Y des tuyères se trouve hors du corps 12, du côté de l'extrémité amont 16 des tuyères. Ainsi, les axes des tuyères s'écartent les uns des autres, suivant le sens normal de circulation de l'oxygène. Plus précisément, et comme cela est visible sur les figures 2 et 3, le corps 12 comporte un culot massif 20 de liaison dans lequel sont délimitées les extrémités amont 16 des tuyères. A son autre extrémité, le corps comporte une calotte d'extrémité 22 au travers de laquelle débouchent les extrémités aval 18 des tuyères. Le culot 20 et la calotte 22 sont reliés par une âme 24 s'étendant suivant l'axe X-X et par cinq conduites 26 délimitant intérieurement les tuyères 14. Un espace libre est ainsi délimité entre le culot 20 et la calotte 22. L'âme 24 et les conduites 26 traversent cet espace libre de part en part. Cet espace permet la circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau. Le culot 20 est généralement cylindrique et comporte, sur sa surface latérale, des gorges pour des joints toriques permettant d'assurer l'étanchéité entre le culot et la conduite d'amenée d'oxygène non représentée dans laquelle il est emmanché. La calotte 22 est munie latéralement de rebords permettant l'appui d'un tube constituant le corps non représenté de la lance d'injection. Le fluide de refroidissement circule entre ce tube et la conduite d'amenée de l'oxygène. Les cinq tuyères présentent des profils identiques. Chaque tuyère 14 est formée de la partie médiane d'une tuyère de Laval optimisée en fonction des conditions exigées. En l'espèce, chaque tuyère de Laval est dimensionnée pour permettre la circulation d'oxygène. La pression d'alimentation en oxygène en amont des tuyères est de 16 bars absolu et le débit, dans chaque tuyère, est de 12000 Nm3/h. Sur la figure 4 est représentée schématiquement une tuyère de Laval optimisée telle qu'elle résulte du calcul de dimensionnement théorique. Elle s'étend entre des sections amont SI et aval S2. En pratique, les tuyères 14 intégrées dans la buse selon l'invention présentent les caractéristiques dimensionnelles d'une tuyère de Laval optimisée seulement entre une section du cône convergent de cette tuyère optimisée et une section de la longueur droite de sortie. Ainsi, seule la partie médiane de la tuyère de Laval optimisée est présente dans la buse 10. Sur la figure 4, le profil retenu pour les tuyères 14 est représenté en trait continu et s'étend entre les deux sections d'extrémité désignées par les références 16 et 18 et correspondant aux extrémités amont et aval de la tuyère. Ainsi, chaque tuyère comporte, de son extrémité amont 16 vers son 20 extrémité aval 18, un cône convergent 30, un col sonique 32, un cône divergent 34 et une longueur droite 36. Le cône convergent 30 est délimité par une surface tronconique 38 dont l'axe est celui de l'axe de la tuyère. Cette surface tronconique présente un angle au sommet compris, pour l'application considérée, entre 10 et 30 , idéalement 20 . Selon l'invention, les surfaces tronconiques 38 des différentes tuyères 14 sont sécantes, de sorte que chaque surface tronconique 38 présente, du côté de l'extrémité amont 16, un tronçon tronqué par l'intersection avec les cônes convergents des tuyères adjacentes, comme illustré sur les figures 1 et 2. Chaque surface tronconique 38 présente deux portions de parabole reliées l'une à l'autre définissant les intersections avec les surfaces tronconiques des cônes convergents adjacents. Une de ces paraboles est représentée et désignée par la référence 40 sur les figures 1 et 2. Les extrémités amont des différentes tuyères sont donc reliées les unes aux autres, de sorte que la face arrière du culot 20 présente une unique ouverture présentant cinq lobes régulièrement répartis angulairement autour de l'axe X-X, comme cela est visible sur la figure 2. De préférence, la longueur totale I mesurée suivant l'axe Y-Y de la tuyère du tronçon du cône convergent dont la surface périphérique est tronquée par l'intersection avec la surface périphérique d'au moins une tuyère adjacente est comprise entre 25 % et 90 % de la longueur totale L du cône convergent mesurée suivant l'axe de la tuyère. La longueur L du cône convergent est égale à 85 mm dans l'exemple considéré au lieu de 154 mm pour une tuyère de Laval optimisée. Le diamètre du cône convergent varie de 101,8 mm à 40 mm dans l'exemple considéré. Le col sonique est constitué d'un tronçon cylindrique 41 centré suivant l'axe Y-Y de la tuyère. Son diamètre et sa longueur sont tous deux de 40 mm, dans l'exemple considéré. Le cône divergent 34 est délimité par une surface tronconique 42 s'étendant sur une longueur de 226 mm, dans l'exemple considéré. Le diamètre du cône varie de 40 mm à 64 mm, suivant la longueur du cône divergent, en considérant le sens d'écoulement normal de l'oxygène. De manière générale, le cône divergent a un angle au sommet inférieur à l'angle au sommet du cône convergent 30. L'angle au sommet du cône divergent est compris entre 1 et 15 , idéalement 3 , dans les applications considérées. La longueur droite 36 est formée d'un tronçon cylindrique s'étendant, dans l'application considérée, sur une longueur de 35 mm, son diamètre étant égal à 64 mm. Dans une tuyère de Laval optimisée, la longueur de la longueur droite aurait été de 152 mm dans les conditions considérées. Les intersections entre les surfaces tronconiques des cônes convergents 30 permettent de réduire l'encombrement total de la buse, notamment en disposant les tuyères 14 plus près de l'axe X-X. De plus, la réduction de la longueur des cônes convergents et des longueurs droites permet de réduire considérablement l'encombrement axial de la buse, sans dégrader substantiellement les performances. Les tuyères présentant toutefois les caractéristiques dimensionnelles 5 de la partie médiane d'une tuyère de Laval, les tuyères permettent de garantir les caractéristiques satisfaisantes du jet en sortie de la buse pour une injection du gaz dans le bain de métal en fusion. Dans les conditions d'utilisation, à savoir avec une pression amont de 16 bars absolus et un débit de 12000 Nm3/h par tuyère, chaque jet est caractérisé par un nombre de mach égal à 2,45 et une longueur d'isovélocité du jet de 2 m. Plus précisément, et comme illustré sur la figure 5, chaque tuyère selon l'invention permet d'obtenir une pression totale élevée sur une plus grande longueur depuis l'extrémité aval 18 de la tuyère. Ainsi, jusqu'à environ 2 m, la pression reste constante et sensiblement égale à 1.450. 000 Pascals, alors que cette pression n'est égale qu'à environ 400.000 Pascals pour une tuyère non optimisée. De même, et comme illustré sur la figure 6, le profil du nombre de mach suivant l'axe présente un palier jusqu'à environ 2 m pour une tuyère selon l'invention, le nombre de mach restant sensiblement égal à 2,4 suivant ce palier. Au contraire, avec une tuyère non optimisée, le nombre de mach chute beaucoup plus rapidement, et sans qu'un palier n'existe, le nombre de mach étant déjà réduit à 1,6 à une distance axiale de 2 m au- delà de l'extrémité de aval 18. 2860243 8 REVENDICATIONS 1.- Buse multi-jets (10) d'injection de gaz comportant un corps (12) généralement axisymétrique au travers duquel sont ménagées plusieurs tuyères adjacentes (14) s'étendant entre des extrémités ouvertes amont (16) et aval (18) définissant dans cet ordre un sens de circulation dans les tuyères, lesdites tuyères (14) ayant leur axe (Y-Y) décalé angulairement par rapport à l'axe (X-X) du corps, les axes des tuyères s'écartant les uns des autres de l'extrémité amont (16) vers l'extrémité aval (18) des tuyères, chaque tuyère comportant, à son extrémité amont (16), un cône convergent (30) suivant le sens de circulation, lequel cône (30) est délimité par une surface tronconique (38), caractérisée en ce que les surfaces tronconiques (38) des cônes convergents (30) des tuyères adjacentes sont sécantes. 2.- Buse multi-jets selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque tuyère (14) présente, entre le cône convergent (30) et son extrémité aval (18), un cône divergent (34) suivant le sens de circulation. 3.- Buse multi-jets selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque tuyère (14) comporte, dans sa partie médiane, un tronçon cylindrique (32) reliant le cône convergent (30) et le cône divergent (34) . 4.- Buse multi-jets selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque tuyère (14) comporte un tronçon cylindrique (36) prolongeant le cône divergent (34) jusqu'à l'extrémité aval (18). 5.- Buse multi-jets selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que chaque tuyère présente les caractéristiques dimensionnelles d'une tuyère De Laval optimisée, au moins entre une section du cône convergent (30) et l'extrémité aval du cône divergent (34) . 6.- Buse multi-jets selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur totale (I) mesurée suivant l'axe de la tuyère (14) du tronçon du cône convergent (30) dont la surface périphérique (38) est tronquée par l'intersection avec la surface périphérique d'au moins une tuyère (14) adjacente est comprise entre 25 % et 90 % de la longueur totale du cône convergent (30) mesurée suivant l'axe de la tuyère. 2860243 9 7.- Lance multi-jets d'injection de gaz comportant un tube d'amenée de gaz équipé à son extrémité libre d'une buse multi-jets selon l'une quelconque des revendications précédentes.