CA1106599A

CA1106599A - Procede de protection contre l'usure d'une tuyere de soufflage pour l'affinage des metaux liquides

Info

Publication number: CA1106599A
Application number: CA294,938A
Authority: CA
Inventors: Pierre Leroy; Emile Sprunck
Original assignee: Creusot Loire SA
Current assignee: Creusot Loire SA
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-13
Publication date: 1981-08-11
Also published as: ATA43378A; DE2757512C2; ES465320A1; BE863136A; US4157813A; AU500567B1; ZA777332B; DE2757512A1; LU78913A1; JPS5391011A; FR2378097A1; AT363109B; BR7800290A; IN148352B; FR2378097B1; MX147643A; GB1584739A; IT1091544B

Abstract

Tuyère de soufflage pour affinage des métaux liquides, cette tuyère immergée étant alimentée au centre en un gaz oxydant qui peut être de l'oxygène pur, et étant alimentée à sa périphérie en un agent protecteur à l'état liquide. Cette tuyère permet à la fois de réduire sa vitesse d'usure et de réduire la consommation de liquide protecteur. Elle est caractérisée à la fois en ce que sa section transversale de passage dudit liquide protecteur est au plus égale à 2 millimètres carrés par centimètre de circonférence de ladite tuyère et en ce que le débit de liquide ainsi introduit par centimètre de circonférence à l'endroit de la section transversale de passage du liquide protecteur est compris entre 0,05 et 0,14 litre par minute.

Description

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La présente invention concerne la protection contre l'u-sure à chaud des tuyères de soufflage pour affinage des métaux li-quides.
On sait protéger les tuyères de soufflage contre l'usu-re à chaud au moyen d'une introduction périphérique d'un fluide protecteur, liquide ou gaæeux, autour du fluide principal d'affina-ge, quipeut être de l'oxygène pur.
La présente invention ne concerne que les tuyères de soufflage protégées par un liquide. Un tel liquide protecteur peut être constitué par de l'eau, par des hydrocarbures liquides tels que du fuel-oil ou du butane liquide, par du dioxyde de carbone li-quide, par un mélange de divers liquides, par une émulsion, etc...
La présente invention s'applique quelle que soit la nature du li-quide protecteur. Elle s'applique à des tuyères comprenant deux tubes, soit trois tubes, soit même davantage.
Le but de la présente invention est d'apporter une amé-lioration extrêmement importante, et à certains égards surprenante, au degré de protection de la tuyère contre son usure en service à
chaud. Le caractère surprenant de l'invention est que, avec une consommation notablement ~éduite de li~uide protecteur, par rapport à la consommation usuelle, il devient possible, grâce à l'invention, d'obtenir une vitesse d'usure de la tuyère ainsi protégée plusieurs fois plus lente, et dans certains cas pratiquement nulle. ~
Pour bien apprécier l'important progrès apporté par ~ -l'invention, il convient de rappeler d'abord les consommations usuel-les et Ies vitesses d'usure de tuyères qui sont bien connues, par exemple dans le cas de tuyères soufflant de l'oxyg~ne pur dans un convertisseur d'aciérie, et protégées par une introduction périphé-rique de fuel-oil domestique. Dans de telles tuyères, le débit 30 usuel de fuel-oil est compris entre 0,}3 et 0,15 li-tre par minute et par centimètre de circonférence moyenne de l'anneau de passage du fuel-oil dans chaque tuyère. Il est introduit sous une pression .

-1- ~i ~

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~65i~9 relativement basse, comprise entre 4 et 8 bars parce que l'interval-le entre les deux tubes de la tuyère présente habituellement une largeur comprise entre 1 et 1,5 millimètre environ. Dans ces condi-tions de fonctionnement usuelles, la vitesse d'usure des tuyères est de l'ordre de 8 à 10 millimètres par heure de soufflage, dans l'affi-nage de la fonte en acier.
Le but de la présente inven-tion, comme déjà indiqué ci-dessus, est à la fois de consommer moins de liquide protecteur et de ralentir notablement la vitesse d'usure des tuyères de soufflage et celle du fond réfractaire.
A cet effet, la présente invention a d'abord pour objet un procédé de protection d'une tuyère de soufflage alimentée au centre en un gaz oxydant, qui peut être de l'oxygène pur, et à sa périphérie en un agent protecteur à l'état liquidel ce procédé étant caractérisé à la fois en ce que la section transversale de passage dudit liquide protecteur dans la tuyère est au plus égale à deux millimètres carrés par centimètre de circonférence de ladite tuyère, et en ce que le débit de liquide protecteur ainsi introduit, par centimètre de circonférence à l'endroit de la section transversale 20 de passage du liquide protecteur, est compris entre 0,05 et 0,14 litre par minute.
Dans une aussi étroite section transversale, le liquide protecteur doit naturellement, compte tenu des fortes pertes de ; charge,être introduit sous une pression assez forte, au moins égale à 15 bars, et le plus souvent notablement plus élevée, de l'ordre . .
de 30 a`50 bars.
Dans le cas de l'affinage des aciers au convertisseur à
soufflage par le fond, un mode de réalisation du procédé selon l'in-vention, spécialement avantageux par les résultats obtenus, est ca- -~
ractérisé en ce que, depuis le début de l'affinage jusqu'à une teneur en carbone du bain métallique de l'ordre de 0,500 /O~ le débit de li-quide p~otecteur est réglé entre 0,05 et 0,06 litre par minute et par ,:
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centimètre de circonférence, tandis qu'ensuite, au-dessous de 0,500%
de carbone dans le bain métallique et jusqu'~ la fin de l'affinage, ce débit de liquide protecteur est réglé entre 0,08 et 0,14 litre par minute et par centimètre de circonférence.
Dans le cas particulier où le liqude protecteur est du dioxyde de carbone liquide, il est recommandé de maintenir une pres-sion de l'ordre de 30 à 50 bars, et de réaliser un débit compris entre 0,09 et 0,14 litre/min/centimètre de circonférence, la haute pression étant alors nécessaire en outre pour que le dioxyde de carbone reste à l'état liquide dans la tuyere.
Dans le cas où le gaz oxydant qui parcourt le tube inté-rieur de chaque tuyère est de l'oxygène pur, les débits de liquide protecteur mentionnés précédemment sont valables pour des pressions d'oxygène mesurées en amont de ladite tuyère au plus égales à 10 bars effectifs.
Pour toute pression effective (p) d'oxygène pur supérieu-re à 10 bars, les précédentes valeurs de débit du liquide protecteur ~ .
doivent être multipliées par: ¦ P , et cette augmentation du débit -~ 10 doit être réalisée par accroissement de la pression d'introduction du liquide protecteur, et sans modification de la section transver~
sale de passage du liquide protecteur.
Cette correction du réglage du débit du liquide protec-teur est rendue nécessaire par le suréchauffement de la zone de réac ; tion provoquée dans le bain, en face de la tuyère considérée, par un débit d'oxygène pur spécialement élevé.
Au cas où l'oxygène pur contient de la poudre, par ex-emple de la poudre de chau~, en suspension, qui produit dans le -bain métallique un certain effet refroidissant, une certaine correc-tion du débit de liquide protecteur doit être effectuée en sens con-traire de la précédente, et en fonction du débit de poudre.
La présente invention a aussi pour objet deux types de tuyères susceptibles d'appliquer le procédé de protection selon -l'invention.

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Le premier type est constitué d'au moins deux tubes concentriques, le tube extérieur étant alimenté en un agent protec-teur ~ l'état liquide, et il est caractérisé en ce que la section transversale totale de passage du liquide protecteur, qu'elle soit constituée d'un anneau continu de très faible largeur, ou au con-traire d'une suite de zones discontinues allongées disposées circu-lairement, est au plus égale à deux millimètres carrés par centimè-tre de circonférence de la paroi intérieure du tube extérieur de ladite tuyère. Ces zones discontinues sont donc de très faible lar-geur, et sont réparties en principe sur une circonférence proche dubord de la tuyère.
Un mode préférentiel de réalisation de ce premier type de tuyère mettant en oeuvre le procédé selon liinvention est carac-térisé en ce que la section transversale de passage du liquide pro-tecteur est comprise entre 1,2 et 0,6 millimètre carré, par centi-mètre de circonférence de la paroi intérieur du tube extérieur de ladite tuyère.
Un deuxième type de tuyère susceptible d'appliquer le procédé selon l'invention est constitué par une tuy~re monobloc pré
sentant au voisinage de sa périphérie ~me couronne de petits canaux pour le passage du liquide protecteur contre l'usure, et ce type de tuyère est caractérisé en ce que la section transversale totale de ces petits canaux est, comme pour le premier type de tuyères décrit ci-dessus, au plus égale à deux millimètres carrés par centimètre de -~circonférence à llendroit de la section transversale de passage du liquide protecteur, et cette section est de préférence comprise entre 1,2 et 0,6 Millimètre carré par centimètre de circonférence.
Ces petits canaux ne sont pas forcément circulaires.
Comme on le comprend, le procédé selon l'invention consis-te essentiellement à introduire le liquide protecteur sous forte pres-sion dans une section de passage très faible. La forte pression as-sure une très bonne répartition du liquide protecteur, et donc de _4_ ;9~

l'effet massique de refroidissement, sur toute la circonférence de la tuyère, tandis que la très faible section de passage assure un débit, et donc une consommation, de liquide qui sont faibles.
L'effet surprenant est que, si la pression du fluide protecteur est suffisamment élevee, l'effet d'une bonne répartition de la protection autour du jet central de gaz oxydant apparait pré-pondérant par rapport à l'effet global de refroidissement. Ce n'est pas du tout évident a priori et il a fallu une expérimentation appro-fondie pour faire apparaitre ce résultat surprenant d'une meilleure protection de la tuyère assurée avec une moindre consommation de li-quide protecteur.
Ces excellents résultats ne sont obtenus qu'avec des ; sections de passage très faibles, par exemple avec un anneau de pas-sage du liquide protecteur dont la largeur ~st de l'ordre d'un dix-ième de millimètre ou même parfois moins, c'est-à-dire des sections transversales de passage du liquide de dix à quinze fois plus fai-bles que les sections usuelles des tuyères de type connu.
Afin de bien faire comprendre l'inven-tion, on va décrire ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisa-tion d'une tuyère susceptible d'appli~uer l'invention selon le pro~cédé. Il s'agit dans les deux cas d'une tuyère du premier type dé-crit ci-dessus, elle est constituée de deux tubes concentriques.
La figure 1 représente le quart de la coupe transversale d'une tuyère selon le premier mode, à une échelle très grossie, bien supérieure à 1.
La figure 2 représente les caractéristiques géométriques d'une arate de centrage.
Suivant la figure 1, le tube intérieur 1 a un diamètre intérieur de 28 millimètres et un diamètre extérieur de 38 millima-tres.

Le tube extérieur 2 a un diamètre intérieur de 38,2 mil-limètres et un diamètre extérieur de 48 millimètres.

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.,; , , ~!6~;~9 Le tube intérieur 1 est centré dans le tube extérieur

2 au moyen d'arêtes, telles que 3, qui sont en bas-relief du tube intérieur.
La section transversale totale de passage du liquide protecteur est constituée de la somme des sections élémentaires telles que 4. Elle vaut ici environ 11 millimètres carrés. Elle s'étend sur une circonférence longue de 12 centimètres. La lon-gueur de la tuyère est de 1.010 mm.
Les arêtes de centrage,repérées en 3 sur la figure 1, peuvent présenter différentes caractéristiques géométriques. Parmi les meilleures, citons le profil d'arête représenté en 3 sur la figure 2: la face extérieure du tube intérieur comporte de place en place, régulièrement espacées, des arêtes longitudinales dont l'une seulement est représentée sur la figure 2 en section trans-versale: c'est un arrondi de 0,6 millimètre de rayon, de 0,6 mil-limètre de largeur, et de 0,1 millimètre de hauteur. L'espacement de deux arêtes voisines est de 11,9 millimètres, c'est-à-dire qu'il existe 10 arates semblables sur la circon~érence de 28 millimètre ~e diamètre.
Un deuxième mode de réalisation d'une tuyère selon l'in-vention cité ici à titre d'exemple non limitatif, consiste à munir la face externe du tube intérieur de la tuyère de rainures longitu- -dinales espacées régulièrement sur la circon~érence. Ainsi, pour un tube intérieur de diamètre intérieur de 28 millimètres et de .
diamètre extérieur de 38 millimètres, les rainures peuvent présen-ter une section transversale représentée sur la figure 3: sur cette figure, le tube intérieur 5 présente par rapport au tube extérieur 6 un jeu maximu~ de 0,030 millimètre, ce tube intérieur 5 est muni de rainures longitudinales telles que 7, de 1,6 millimètre de lar-geur et de 0,15 millimètre de hauteur. Ces rainures sont eapacées de 2,38 millimètres, d'axe en axe, si bien que le tube 5 comporte 50 rainures telles que 7 sur sa face externe.
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65~

Pour l'affinage de l'acier, une tuy~re selon l'un quel-conque des deux modes décrits ci-dessus peut fonctionner par exemple de la manière suivant en ce qui concernQ l'introduction du liquide protecteur:
1) Depuis le début de l'affinage jusqu'à une teneur en carbone du bain métallique de l'ordre de 0,500 %, la pression d'introduction du liquide protecteur est de 29 bars, et le débit est de 0,054 litre par minute et par centimètre de circonférence, c'est-à~dire:
0,054 x 12 = 0,65 litre par minute pour ladite tuyère. .~ :
2) Au dessous d'une teneur en carbone du bain de 0,500 %,et jusqu'à
la fin de l'affinage, la pression d'introduction du liquide.est de .. ::
44 bars, et le débit de liquide est de 0,083 litre par.minute et par centimètre de circonférence, c'est-à-dire: 0,083 x 12 = 1 litre par minute pour ladite tuyère. ~:
Pour un soufflage comportant 9 minutes en première par-tie et 3 minutes en deuxième partie, la consommation de liquide par tuyère est de: 0,65 x 9 -~ 1 x 3 = 5,8.~ + 3 = 8,85 litres, contre 0,9 x 9 + 1,6 x 3 = 8,1 + 4,8 = 12,9 l.itres pour une tuyère de type connu, et de même dimension. :.
En consommation de liquide, le gain est donc de 12,9 -a, a5 = 4,05 litres par tuyère, soit 4'05 31 % ~ ~

C'est un premier avantage résultant du procédé selon . .
l'invention. Mais l'avantage essentiel est que la vitesse d'usure -~ :
des tuyères se trouve notablement diminuée, et que la tenue des tu- ~ :
yères et des fonds de convertisseur se trouve grandement améliorée, :
permettant dans certains cas d'obtenir une durée du fond égale à ~ .
celle du rev~tement latéral du convertisseur. ~ . .
L'invention s'applique spécialement bien à l'affinage . . -des aciers, mais elle s'applique aussi ~ l'affinage des ferro-allia-30 ges et à celui des mattes de métaux non ferreux. :-. ~ ....

Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et perfectionnements de ..

- ' .' :: ''. .
.. . . . . . . .. .

détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents~
Compte tenu des sections réduites de passage du liquide protecteur, selon l'invention, il est recommandé d'utiliser une pression de gaz de balayage, qui peuk être de l'azote par exemple, au moins égale à 10 bars, utilisable dans ces sections réduites en remplacement du liquide protecteur dans les périodes où ce dernier n'est pas utilisé, par exemple entre deux opérations métallurgiques successives, lorsque le fluide principal d'affinage, qui peut atre de l'oxygène pur, est occupé.

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Claims

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Perfectionnement à la protection contre l'usure d'une tuyère de soufflage pour affinage des métaux liquides, cette tuyère immergée étant alimentée au centre en un gaz oxy-dant qui peut être de l'oxygène pur, et étant alimentée à sa périphérie en un agent protecteur à l'état liquide, ce perfec-tionnement étant un procédé ayant pour but à la fois de réduire la vitesse d'usure de la tuyère, et de réduire la consommation de liquide protecteur, ce procédé étant caractérisé à la fois en ce que l'on prévoit que la section transversale de passage dudit liquide protecteur dans la tuyère soit au plus égale à
2 millimètres carrés par centimètre de circonférence de ladite tuyère et en ce que l'on introduise le liquide selon un débit, par centimètre de circonférence à l'endroit de la section trans-versale de passage du liquide protecteur, compris entre 0,05 et 0,14 litre par minute.

2. Perfectionnement à la protection d'une tuyère de soufflage selon la revendication 1 applicable pour l'affinage des aciers au convertisseur, caractérisé en ce que, depuis le début de l'affinage jusqu'à une teneur en carbone du bain métallique de l'ordre de 0,500%, l'on règle le débit de liquide protecteur entre 0,05 et 0,06 litre par minute et par centi-mètre de circonférence, tandis qu'ensuite, au-dessous de 0,500% de carbone dans le bain métallique, on règle ce débit de liquide protecteur entre 0,08 et 0,14 litre par minute et par centimètre de circonférence.

3. Perfectionnement à la protection d'une tuyère de soufflage, selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, applicable lorsque le gaz oxydant qui parcourt le tube inté-rieur de ladite tuyère est de l'oxygène pur ne contenant en sus-pension aucune poudre, et caractérisé en ce que, pour toute pression effective (p) d'oxygène pur supérieure à 10 bars en amont de la tuyère, les valeurs de débits de liquide protecteur mentionnées ci-dessus aux revendications 1 et 2 se trouvent multi-pliées par:
, c'est-à-dire qu'elles se trouvent comprises entre 0,05 et 0,14 litres par minute.

4. Perfectionnement à la protection d'une tuyère de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans les périodes où le liquide protec-teur est supprimé, ce dernier est remplacé par un gaz de balayage soufflé sous une pression au moins égale à 10 bars, dans les sections de passage du liquide protecteur.

5. Tuyère de soufflage pour affinage des métaux liquides, cette tuyère étant constituée d'au moins deux tubes concentriques, le tube extérieur étant alimenté en un agent protecteur à l'état liquide, cette tuyère étant caractérisée en ce que la section transversale totale de passage du liquide protecteur est au plus égale à deux millimètres carrés par centi-mètre de circonférence de la paroi intérieure du tube extérieur de ladite tuyère.

6. Tuyère de soufflage selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite section transversale est consti-tuée d'un anneau continu de très faible largeur.

7. Tuyère de soufflage selon la revendication 5, caractérisée en ce que la section transversale est constituée d'une suite de zones discontinues disposées circulairement.

8. Tuyère de soufflage selon les revendications 5, 6 ou 7 caractérisée en ce que la section transversale totale de passage du liquide protecteur dans ladite tuyère est comprise entre 1,2 et 0,6 millimètre carré par centimètre de circonférence de la paroi intérieure du tube extérieur de ladite tuyère.

9. Tuyère de soufflage par affinage des métaux liquides, cette tuyère étant constituée d'au moins deux tubes concentriques, le tube extérieur étant alimenté en un agent protecteur à l'état liquide, cette tuyère étant du type mono-bloc présentant au voisinage de sa périphérie une couronne de petits canaux de passage du liquide protecteur contre l'usure et caractérisée en ce que la section transversale totale de ces petits canaux est au plus égale à deux millimètres carrés par centimètre de circonférence à l'endroit de la section transversale du liquide protecteur, la circonférence ici con-sidérée étant celle de ladite couronne de petits canaux.

10. Tuyère de soufflage selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite section est comprise entre 1, 2 et 0,6 millimètre carré par centimètre de circonférence.