LU87355A1 - Lance de soufflage d'oxygene - Google Patents

Description

Lance de soufflage d'oxygène.

L'invention concerne une lance de soufflage pour l'affinage de métaux ou de ferroalliages liquides contenus dans un récipient par soufflage d'oxygène par le haut.

Une Lance de soufflage d'oxygène comprend normalement au moins une tuyère destinée à fournir un jet primaire d'oxygène supersonique pour l'affinage proprement dit. Elle peut en plus comprendre plusieurs tuyères latérales, destinées à fournir des jets d'oxygène secondaires, plus mous que le jet primaire, pour brûler le monoxyde de carbone formé au cours de l'affinage et créer un surplus d'énergie thermique, ainsi qu'éventuellement une tuyère guidant des matières solides suspendues dans un gaz porteur.

Le jet vertical frappe la surface du bain et doit présenter une impulsion suffisante pour traverser la couche de scorie ou pour la refouler, en vue d'atteindre le métal; il est également nécessaire que le jet provoque un brassage de la scorie avec le bain, pour accélérer les réactions métallurgiques. Il est bien entendu que le point d'impact du jet sur la surface du bain est fixe et se situe plus ou moins au centre de cette surface. On sait depuis longtemps qu'il serait avantageux de pouvoir déplacer ce point d'impact d'une manière contrôlée en cours de soufflage, et ceci afin de mieux distribuer la chaleur intense qui règne au point d'impact et d'intensifier l'effet de brassage. Ainsi on a proposé des lances dont l'axe \ principal est incliné et ou la lance entière peut osciller autour de la verticale. On a également conçu des têtes de lance dont l'embouchure présente des moyens mécaniques capables de dévier le jet d’oxygène. Un disavantage réside dans la nécessité de faire fonctionner des moyens mécaniques qui sont exposés à une chaleur intense, à des poussières et à l'action de l'oxygène.

D'après le brevet US 4 730 813 on connaît une lance dont la tête présente l'embouchure d'une tuyère guidant un jet d'oxygène ayant une vitesse supersonique avec une chambre intercalée entre l'embouchure de la tuyère et l'embouchure de la tête de lance, la chambre s'évasant progressivement depuis l'embouchure de la tuyère pour se rétrécir vers l'embouchure de la tête de lance. Des embouchures de conduits latéraux aboutissent dans cette chambre, au voisinage de l'embouchure de la tuyère. Chacun des conduits latéraux est relié à une source de gaz et comporte une vanne individuelle de régulation de débit. Lorsqu'on souffle un gaz par-un-des conduits latéraux, il se crée dans la chambre une zone de surpression qui s'étend depuis l'embouchure du conduit latéral à la sortie de la tête de lance, ce qui provoque une déviation du jet principal. La direction de sortie du jet est fonction de l'emplacement de la zone de surpression, c.à d. du conduit latéral alimenté en gaz. Bien qu'on puisse dévier de cette façon le jet gazeux supersonique, sans avoir recours à des moyens mécaniques, on est confronté à des sollicitations extrêmes du support de fixation de la lance. En effet, le jet gazeux supersonique, sortant de manière oblique de la tête de lance, crée un moment de force valant des dizaines de milliers de N.m.

Le but de la présente invention est de concevoir une lance capable de fournir un jet de gaz dirigeable et qui ne présente pas les défauts énoncés plus haut.

Ce but est atteint grâce à la lance telle qu'elle est caractérisée dans la revendication 1. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.

Un avantage majeur réalisable à l'aide de l'invention réside dans le fait qu'elle permet de dévier des jets d'oxygène et de déplacer leurs points d'impact sur la surface du bain, à volonté et à vitesse variable, sans interruption du soufflage. Il en résulte un élar gissement virtuel de la zone d'impact et un brassage plus prononce du métal avec la scorie en surface du bain. Un autre avantage offert par l'invention réside dans une distribution plus poussée, dans le bain de métal, de la chaleur qui règne au point d'impact, si bien que d'un côté la température globale du bain peut monter et que d'un autre côté le déplacement, en 'cours de soufflage, de la zone a chaleur intense, diminue le risque de la nitruration du bain.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront par la description des dessins qui représentent de manière non-limitative une forme d'exécution possible de la lance suivant l'invention et où - la fig.l est une coupe longitudinale schématique a travers une tête de lance selon l'invention, tandis que - la fig.2 est un schéma illustrant la variabilité de l'emplacement du point d'impact du jet d'oxygène sur le bain métallique.

On distingue en fig.l une tuyère d'une tête de lance 1 avec des moyens de refroidissement par circulation d'eau 2. Un conduit 4 guide un jet d'oxygène d'affinage 3, dont les propriétés physiques sont déterminées par la pression de la source d'oxygène, la vanne de réglage du débit, ainsi que par le profil et le dimensionnement des moyens de guidage de l'oxygène depuis la source jusqu'au conduit 4. Etant donné qu'immédiatement en amont de ce conduit 4 se trouve une tuyère de Laval variable, pouvant être du type décrit dans la demande de brevet LU (A 842), le flux d'oxygène possède une vitesse supersonique au niveau de ce conduit. Une chambre 6, interposée entre le conduit 4 et l'embouchure 7 de la tête de lance, comporte une partie sensiblement cylindrique 8 qui s'évase faiblement côté embouchure 7 et une partie 9 à section variable qui relie la partie cylindrique 8 au conduit 4. Le rétrécissement de cette partie a section variable est continu et progressif et la courbe obtenue par son intersection avec un plan passant par l'axe de la lance, présente vers son milieu un point d'inflexion.

L'espace délimité par la chambre 6 est occupé par une pièce 10 de déflexion du gaz, dont la position centrale est fixée par l'intermédiaire d'ailetttes 18. La pièce de déflexion est de révolution et possède un évidement axial 11 sur toute sa longueur, une partie supérieure 12, qui, de manière à offrir une section sensiblement constante au fluide en mouvement, suit le contour de la partie 9 à section variable de la chambre 6 et une partie inférieure 13 dont la section, avec un plan perpendiculaire à l'axe de la .lance, diminue d'abord jusqu'à un col avant d'augmenter de nouveau vers l'embouchure 7 de la lance. Pour éviter la création de turbulences dans le jet annulaire gazeux, les variations de section de la partie supérieure 12 et inférieure 13 sont progressives à l'exception de l'endroit de leur raccord, qui présente un décrochement 14. Il est prévu au niveau du col des fentes ou trous allongés (non représentés), orientés perpendiculairement à l'axe de la lance, qui évacuent la couche limite du jet annulaire pour l'intégrer au jet central; cette couche limite, freinée par la paroi, serait sinon la source d'ondes de choc. Côté embouchure, la pièce de deflexion 10 possède plusieurs saillies 15 régulièrement réparties sur son pourtour. Leur fonction sera expliquée plus loin.

L'évidement axial 11 est cylindrique avant de s'évaser progressivement à l'approche de l'embouchure 7 de la lance. Cet évasement n'a qu'une influence mineure sur la dynamique du gaz; il en est de même de la pièce 16, maintenue au centre de l'embouchure par des ailettes 17, dont la demi-coupe par un plan passant par l'axe de la lance présente une forme triangulaire. En effet, la pièce 16 ne fait que subdiviser le jet en un jet central et un jet enveloppe qui suit étroitement le contour de la pièce 16 avant de rejoindre le jet central. Sa fonction principale est de protéger l'embouchure d'éventuelles projections de métal et de scories.

Disposé de manière concentrique autour de la chambre 6, est situé le circuit débitant l'oxygène de postcombustion, i.e. l'oxygène secondaire. Les principes constructifs et de fonctionnement de ce circuit sont exposés en détail dans la demande de brevet LU (A 843). Relevons seulement qu'en amont de l'embouchure 20 se trouve une arête vive 21 provoquant la déviation du jet d'oxygène secondaire et que la paroi inclinée 22 reliant l'arête vive 21 à la face avant de la tête de lance détermine l'angle d'inclinaison maximum que peut formel? le jet d'oxygène de postcombustion avec l'axe de la lance. Cet angle vaut avantageusement quelque 50°.

On distingue également un conduit d'oxygène tertiaire 23 défini par deux parois tubulaires concentriques. L'embouchure 24, de ce conduit 23, qui est relié par l'intermédiaire d'une vanne de régulation de débit (non-reprêsentée) à une source d'oxygène, est constituée par une fente annulaire située en vis-à-vis du décrochement 14.

Il y a lieu de relever la simplicité constructive des circuits d'oxygène secondaire et tertiaire, ainsi que de refroidissement qui sont constitués essentiellement par des tubes cylindriques coaxiaux, disposés l'un dans l'autre et ayant leurs distances respectives maintenues par des ailettes.

Le fonctionnement du dispositif est le suivant: Le jet d'oxygène primaire supersonique traverse le conduit 4 pour être subdivisé par la pièce de déflexion 10 en deux écoulements distincts: - un jet central traversant l'évidement axial de la pièce 10 sans changement de direction et - un jet annulaire qui enveloppe le jet central de tous côtés; le débit du jet annulaire est avantageusement au moins trois fois plus élevé que celui du jet central.

Les propriétés du jet central dépendent essentiellement des caractéristiques du jet gazeux dans le conduit 4, tandis que celles du jet annulaire dépendent de l'état du circuit d'oxygène tertiaire. En l'absence d'un débit gazeux tertiaire, le jet progresse le long de la paroi de la chambre 6 et sort de la tête de lance avec une inclinaison par rapport à l'axe de la lance qui est fonction de l'angle que présente l'évasement de la chambre à l'embouchure. La dureté du jet annulaire est inversêment proportionnelle à la valeur de cet angle qui vaut quelque 10 à 15 degrés. On observe dans ce cas -voir partie supérieure de la fig. 2- les traces 30 (due au jet central) et 31 (due au jet annulaire) sur le bain métallique, dont le contour extérieur est répéré par la référence 34.

Lorsque le débit d’oxygène tertiaire est augmenté jusqu'à un débit-seuil, le jet annulaire est dévié vers la paroi du corps de révolution central 13 et progresse le long de celle-ci pour sortir de la tête de lance avec un angle imposé par le profil que présente la pièce de déflexion vers l'embouchure (20 à 50 degrés, par rapport à l'axe de la lance selon les exêcütions). En l'absence des saillies 15, il se crée à l'intérieur du rideau continu que forme alors le jet annulaire, une sous-pression, qui provoque une déviation du jet annulaire vers le jet central, annulant ainsi partiellement l'effet désiré. Ces saillies détruisent la continuité du jet annulaire, de sorte à limiter les différences de pression dans la zone de soufflage. On observe dans le cas de quatre saillies 15 -voir partie inférieure de la fig. 2- les traces 30 (due au jet central), 32 (dues au jet annulaire) et 33 (dues aux saillies) sur le bain métallique.

Lorsque le débit d'oxygène tertiaire est interrompu et grâce au décrochement 14, le jet d'oxygène change de direction et progresse de nouveau le long de la paroi de la chambre 6. En l'absence d'un tel décrochement, il faudrait un deuxième circuit tertiaire -central dans le cas présent- pour engendrer un changement de direction du fluide, les deux états de déplacement, l'un le long de la paroi de la chambre 6, l'autre le long de la pièce de déflexion 10 étant en principe stables. L'instabilité d'un des états est introduite par le décrochement 14.

Claims (9)

1. Lance de soufflage pour l'affinage de métaux ou de ferroalliages liquides contenus dans un récipient par soufflage d'oxygène par le haut, dont la tête présente l'embouchure (7). d'une tuyère, guidant un jet d'oxygène (3) ayant une vitesse supersonique, caractérisée en ce qu'elle comporte - un conduit (4) à section sensiblement constante en aval de moyens impartissant une vitesse supersonique au jet, - une chambre (6) interposée entre le conduit (4) et l'embouchure (7), la chambre (6)ayant une forme sensiblement cylindrique et étant reliée au conduit par un rétrécissement progressif (9), ~ une pièce de déflexion (10) du jet, disposée de manière centrale dans la chambre (6), dont la portion supérieure (12) ébauche l'allure dudit rétrécissement progressif (9) et dont la portion inférieure (13) présente une partie à section qui diminue progressivement, suivie d'un col et d'une partie a section qui augmente progressivement vers l'embouchure (7) et - une fente annulaire (24) dans la paroi de ladite chambre (6), en vis-à-vis du raccord de la portion supérieure (12) à la portion inférieure (13) de la pièce de déflexion (10), ladite fente (24) étant reliée à une source de gaz.

2. Lance de soufflage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens impartissant une vitesse supersonique au jet sont constitués par une tuyère de Laval, de préférence variable.

3. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la chambre (6) ayant une forme sensiblement cylindrique s'évase à l'approche de l'embouchure (7).

4. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins trois saillies (15) sont prévues, près de l'ejmbouchure (7), sur la pièce de déflexion (10).

5. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le raccord de la portion supérieure (12) à la portion inferieure (13) de la pièce de deflexion (10) présente un décrochement (14), la section de la portion inférieure (13) étant a cet endroit inférieure à celle de la portion supérieure (12).

6. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à.5, caractérisée en ce qu'il est prévu des 'fentes ou des trous allongés dans le col de la pièce de dêflexion (10), les fentes ou trous étant orientés perpendiculairement à l'axe de la lance.

7. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que vers l'embouchure (7), la paroi de la pièce de dêflexion (10) forme avec l'axe de la lance un angle compris entre 20 et 50 degrés.

8. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la fente annulaire (24) est reliée à une source d'oxygène.

9. Lance de soufflage selon une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la pièce de déflexion (10) du gaz présente un évidement axial (11) s'étendant sur toute sa hauteur jusqu'à l'embouchure (7).