BE1023582B1 - Nez de lance de soufflage - Google Patents

Abstract

Nez de lance de soufflage, comprenant : un tube central (2) d’alimentation en gaz de brassage, un tube interne (5) pour l’entrée d’un liquide de refroidissement, un tube externe (10) pour la sortie du liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une troisième paroi frontale (12) présentant une surface interne (30) comprenant une zone centrale (14), un espace d’échange thermique (16), un conduit de sortie (17) pour le gaz de brassage partant de chaque ouverture (4) dans la paroi frontale (3), et un pilier (18) présentant une partie amincie (I) reliée à la zone centrale (14) de la surface interne (30) de la troisième paroi frontale (12) et formant avec cette zone centrale (14) une surface incurvée continue (19).

Description

“Nez de lance de soufflage ”

La présente invention se rapporte à un nez de lance de soufflage, destinée au brassage de bains, comprenant - un tube central d’alimentation en gaz de brassage, fermé à une extrémité tournée vers le bain par une première paroi frontale pourvue d’au moins deux ouvertures, - un tube interne formant avec le tube central une première cavité annulaire pour le passage d’un liquide de refroidissement et terminé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale, appelée séparateur, présentant une ouverture centrale et un orifice de passage par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale, - un tube externe formant avec le tube interne une deuxième cavité annulaire pour le passage du liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une troisième paroi frontale présentant un orifice de sortie par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale et présentant une surface interne comprenant une zone centrale, - un espace d’échange thermique qui est situé entre, d’une part, ladite deuxième paroi frontale et ladite surface interne de la troisième paroi frontale et d’autre part, ladite ouverture centrale et ladite deuxième cavité annulaire, et dans lequel s’écoule le liquide de refroidissement, et - un conduit de sortie pour le gaz de brassage, appelé injeteur, partant de chaque ouverture dans ladite première paroi frontale et allant jusqu’audit orifice de sortie correspondant en passant par ledit orifice de passage correspondant d’une manière étanche au liquide de refroidissement, - un pilier comprenant une première extrémité située à l’opposé du bain et une deuxième extrémité tournée vers le bain reliée à la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale.

Le nez de lance de soufflage tel que décrit dans la présente invention est utilisé, entre autres, dans les convertisseurs à oxygène pour la fabrication de l’acier (BOF, Basic Oxygen Furnace). Les convertisseurs permettent d’obtenir de l’acier en injectant du gaz, contenant préférentiellement de l’oxygène, dans un bain de fonte liquide afin de brûler le carbone contenu dans celle-ci. Le principe de base dans le domaine du soufflage d’oxygène dans les convertisseurs (par exemple dans les convertisseurs LD (pour Linz-Donawitz)) est de propulser 3 à 6 jets d’oxygène disposés en couronne sur un bain de fonte liquide. La lance qui permet la formation de ces jets d’oxygène est alors placée à une distance de 1 à 5 m au-dessus d’un bain de fonte en fusion dont la température peut atteindre 1700 °C.

La température du nez de la lance peut alors croître rapidement jusqu’à 400 °C et devoir rester dans cet environnement durant environ 20 minutes. Le nez est alors retiré et revient à la température ambiante, c’est-à-dire 20 °C. Ces contraintes endommagent les nez de lance utilisés pour les bains de convertisseurs d’aciérie et typiquement, la durée de vie de ceux-ci est réduite suite aux importantes sollicitations auxquelles ils sont soumis, pendant un nombre significatif d’utilisations successives. La fréquence de remplacement du nez est dès lors augmentée et il est nécessaire d’interrompre fréquemment le processus de production pour cause de maintenance ou de remplacement du nez.

Pour améliorer le refroidissement des nez de lance, des espaces d’échange thermique ont été développés afin qu’un liquide de refroidissement puisse circuler le long de la paroi interne tournée vers le bain du nez de lance. Lorsqu’un liquide de refroidissement, généralement de l’eau, circule le long de la surface interne de la paroi frontale, les calories du métal formant cette paroi sont transférées au liquide de refroidissement. De cette manière, la température du nez de lance est uniformisée sur l’entièreté du nez, et non plus particulière élevée uniquement au niveau des parois exposées au bain.

Une mauvaise circulation du liquide de refroidissement peut également engendrer une élévation locale de la température du liquide de refroidissement. En conséquence, localement le liquide peut passer en phase vapeur sous la contrainte thermique. Il en résulte la formation de cavités remplies de gaz piégées au sein du liquide de refroidissement. Cette formation de cavités gazeuses dans un liquide est connue sous le nom de phénomène de cavitation. Ces phénomènes de cavitation provoquent alors une diminution de l’efficacité du refroidissement de la paroi frontale étant donné que l’échange thermique entre une phase gazeuse et une phase solide est beaucoup moins bon qu’entre une phase liquide et une phase solide. Si le refroidissement n’est pas uniforme sur toute la paroi exposée aux variations thermiques, des tensions mécaniques apparaissent entre les différentes zones de cette paroi. Cette répartition inhomogène de la température engendre, en conséquence, une diminution de la longévité du nez de lance. En effet, ce dernier présente, après quelques cycles de fonctionnement, des dérèglements qui limitent considérablement sa durée de vie. C’est pourquoi, les documents US4432534 et WO9623082 présentent, par exemple, des nez de lance conçus pour permettre l’écoulement d’un liquide de refroidissement à grande vitesse le long de la surface interne de la paroi frontale, cette même paroi frontale présente une légère dépression centrale afin d’optimiser cet écoulement.

Le document EP0340207 prévoit quant à lui une dépression importante dans la zone centrale du nez de lance sur laquelle sont dirigés des jets secondaires de liquide de refroidissement provoquant un tourbillonnement dans l’écoulement du liquide.

Le document WO0222892 tente d’améliorer davantage l’écoulement du liquide de refroidissement dans l’espace d’échange thermique du nez de lance en développant une dépression centrale dans la face tournée vers le bain ayant un rapport bien déterminé entre hauteur et base de cette dépression. Ce rapport permet à l’espace d’échange thermique d’avoir une section pour le passage du liquide de refroidissement sensiblement constante de manière à obtenir une vitesse de passage du liquide de refroidissement à travers cet espace qui soit approximativement constante.

Le document DE102006010287 décrit un nez de lance de soufflage utilisé pour la production d’acier qui contient un pilier central reliant le tube d’alimentation en gaz à la paroi frontale exposée au bain et un système de refroidissement comprenant un élément permettant de diviser le liquide de refroidissement. En effet, deux flux parallèles sont obtenus entre la première et la deuxième parois de ce nez de lance avant de se recombiner dans l’espace d’échange thermique.

Bien que les documents décrits ci-dessus contribuent à l’amélioration de la technique de refroidissement des nez, malheureusement, ils ne présentent toujours pas une durée de vie suffisante et n’assurent pas un rendement de réaction dans le bain qui soit stable tout au long de cette durée de vie.

Lorsque le refroidissement des nez de lance n’est pas efficace, outre l’apparition des tensions mécaniques, il a également été constaté qu’un phénomène d’érosion de la paroi frontale apparaît en périphérie des orifices de sortie des conduits pour le gaz de brassage.

Dans la suite de la description, l’expression « conduit de sortie de gaz de brassage » sera, pour des raisons de simplicité, exprimé parfois seulement par le terme injecteur.

Le diamètre des orifices de sortie des injecteurs tend à augmenter suite à l’érosion des bords de ceux-ci. Cette augmentation de diamètre déforme les jets d’oxygène, ce qui provoque, en plus de la destruction du nez de lance, une dispersion de ces jets et en conséquence une diminution de l’efficacité de ceux-ci. La réaction d’oxydation du carbone est, en effet, favorisée par la profondeur de pénétration des jets dans le bain et par le brassage de celui-ci. Les nez de lance étant placés à une distance de 1 à 5 m au-dessus du bain de fonte, afin d’être efficaces, les jets doivent présenter un profil cohérent sur une distance la plus longue possible. Le rendement de réaction est alors diminué lorsque ces jets sont dispersés car ils pénètrent moins profondément dans le bain de fonte. Le rendement de réaction dans le bain n’est, dès lors, pas optimal et présente de surcroît une variabilité importante au cours de la durée de vie du nez de lance.

Un refroidissement efficace est donc important pour le bon fonctionnement des nez de lance car il a comme avantage d’augmenter la durée de vie de ceux-ci mais également de garantir une meilleure stabilité de rendement de réaction tout au long de leur durée de vie et ce en minimisant l’érosion au niveau des bords des sorties de conduits pour le gaz de brassage de la paroi frontale. Seulement, un tel refroidissement est aussi très difficile à mettre en œuvre, dans les conditions extrêmes rencontrées pendant l’utilisation des nez de lance.

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l’état de la technique en procurant un nez de lance simple à fabriquer dont la durée de vie est augmentée et qui permet un rendement de réaction amélioré et stable tout au long de la durée de vie du nez.

Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l’invention, un nez de lance tel qu’indiqué au début dans lequel le pilier présente entre lesdites première et deuxième extrémités une partie amincie reliée à la zone centrale qui présente une longueur prédéterminée L1 et une section axiale décroissant de manière continue vers la zone centrale de manière que le pilier forme avec la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale une surface incurvée continue.

Selon la présente invention par les termes « surface incurvée continue », on entend une surface qui présente une « continuité de courbes », de préférence une « continuité des tangentes ».

Par les termes « continuité des tangentes», on entend, selon la présente invention, que, dans une coupe axiale du pilier, la courbe de la partie amincie du pilier et la courbe de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale possèdent des tangentes égales au niveau de leur extrémité commune, c’est-à-dire au niveau de leur jonction (deuxième extrémité du pilier). Les tangentes sont les dérivées premières des courbes en leur extrémité commune.

Un deuxième degré de « continuité de courbes » peut être éventuellement une « continuité de courbures », ce qui signifie alors que les rayons de courbures des deux courbes (partie amincie du pilier et zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale) sont égaux au niveau de leur extrémité commune, c’est-à-dire au niveau de leur jonction (deuxième extrémité du pilier). En d’autres termes, les courbes de la partie amincie du pilier et de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi centrale ont la même direction au niveau de leur jonction et ont également le même rayon en ce point. Les rayons de courbures sont les dérivées secondes des courbes en leur extrémité commune, c’est-à-dire au niveau de leur jonction à la deuxième extrémité du pilier.

Cette géométrie particulière permet d’une part d’éviter les perturbations et d’autre part d’améliorer l’accélération du liquide de refroidissement.

La partie amincie du pilier formant une surface incurvée continue avec la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale permet, d’une part, d’optimiser la trajectoire du liquide de refroidissement. Ce dernier arrive de la première cavité annulaire, longe la deuxième paroi frontale et converge dans l’ouverture centrale pour y effectuer une rotation d’environ 180° avant d’arriver dans l’espace d’échange thermique pour ensuite sortir par la deuxième cavité annulaire. Les injecteurs représentent un premier obstacle lors du passage du liquide de refroidissement entre la première et la deuxième paroi frontale et un deuxième obstacle dans l’espace d’échange thermique entre la deuxième et la troisième paroi frontale. Etant donné la complexité de ce parcours, il n’est pas évident d’éviter les turbulences au sein du liquide de refroidissement. Ces turbulences peuvent apparaître, lors du premier contournement des injecteurs entre la première et la deuxième paroi frontale. Ensuite, des turbulences peuvent encore être observées dans l’ouverture centrale où le liquide de refroidissement provenant de la périphérie du nez (première cavité annulaire) plonge vers l’espace d’échange thermique. Le centre de l’ouverture centrale peut alors être un lieu de collision dans le liquide résultant, dès lors, en la formation de turbulences dans l’écoulement de ce liquide.

Il y a donc lieu d’optimiser la trajectoire du liquide de refroidissement pour « tranquilliser » ce liquide après le premier contournement des injecteurs entre la première et la deuxième paroi frontale avant qu’il n’arrive dans l’espace d’échange thermique.

La présente invention propose donc d’amincir le pilier au niveau de l’ouverture centrale afin que le liquide de refroidissement qui s’y introduit puisse effectuer une rotation la plus progressive possible. En effet, lorsqu’il converge dans l’ouverture centrale, le liquide de refroidissement va longer la partie amincie du pilier pour arriver au niveau de la continuité de courbes avec la zone centrale de la troisième paroi frontale. Ce liquide est dès lors maintenu en contact constant avec la paroi frontale exposée aux températures élevées, permettant ainsi de la refroidir efficacement.

De plus, la partie amincie du pilier, de par son profil courbe en section axiale, permet d’augmenter la surface de contact entre le pilier et le liquide de refroidissement et d’amener ce liquide en contact avec la partie centrale de la troisième paroi frontale qui est la plus exposée aux températures extrêmes. D’autre part, la surface incurvée continue entre le pilier et la surface interne de la paroi frontale permet de minimiser les pertes d’énergie. L’accélération du liquide est en conséquence maintenue dans l’espace d’échange thermique, ce qui est avantageux pour un bon refroidissement du nez de lance. Cette courbure particulière de la partie amincie du pilier et de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale a, entre autres, comme avantage, de procurer au liquide de refroidissement un passage le plus progressif possible à la jonction entre le pilier et la paroi frontale où le liquide doit effectuer une rotation d’environ 180° dans l’ouverture centrale. Le maintien du contact entre le liquide et la paroi frontale à refroidir est alors assuré et les perturbations issues du premier contournement des injecteurs sont amoindries et les perturbations lors du second contournement des injecteurs sont fortement minimisées. Par ailleurs, l’augmentation de la surface de contact entre le pilier et le liquide refroidissement est assurée par ce rayon de courbure important de cette surface incurvée continue. D’autre part, il a été montré qu’avec cette surface incurvée continue, le liquide de refroidissement est accéléré avant son entrée dans l’espace d’échange thermique.

Il a été montré que les nez de lance selon la présente invention, grâce à leur système de refroidissement optimisé, possèdent une durée de vie augmentée car les contraintes mécaniques sont fortement réduites. De plus, ces nez permettent d’obtenir des rendements de réaction élevés et constants tout au long de la durée de vie du nez grâce à la diminution de l’érosion des bords de sortie des injecteurs.

Avantageusement, le nez de lance selon la présente invention présente un diamètre extérieur, Dext, prédéterminé et un pilier présentant une deuxième partie de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie et ladite première extrémité, ladite deuxième partie présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D2, constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est compris entre 2 % et 30 %, avantageusement entre 4 % et 25 %, de manière préférentielle entre 4 % et 20 %, en particulier entre 6 % et 20 %, de préférence entre 6 % et 15 %, de manière particulièrement avantageuse entre 8 % et 15 %, avantageusement entre 10 % et 15 %.

Dans cette forme de réalisation particulière du nez de lance selon la présente invention, étant donné son diamètre, le pilier peut être considéré comme étant « massif » au vu du volume qu’il occupe dans le nez de lance. Ce pilier massif avantageusement constitué d’un matériau de bonne conductivité thermique, tel que le cuivre, permet d’assurer un bon transfert des calories accumulées dans la paroi frontale exposée au bain vers le tube d’alimentation en gaz. Ce phénomène de transfert des calories est appelé « puits froid ». La chaleur transférée par le pilier diffuse alors vers le liquide de refroidissement circulant autour de celui-ci et dont la surface d’échange thermique est augmentée grâce à la partie amincie présentant un profil courbe. La chaleur est, de ce fait, mieux répartie au sein du nez de lance ce qui assure plus particulièrement un bon refroidissement de la zone la plus exposée aux températures extrêmes, à savoir le centre de la troisième paroi frontale. Le nez de lance selon cette forme de réalisation résulte donc en une amélioration supplémentaire du refroidissement du nez et donc une augmentation de la durée de vie du nez et l’obtention de rendements de réaction élevés et constants tout au long de la durée de vie du nez grâce à la diminution de l’érosion des bords de sortie des injecteurs.

Dans une forme de réalisation particulière, ladite partie amincie du nez de lance selon la présente invention présente une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D1 variant progressivement de la valeur du diamètre prédéterminé D2 à la jonction avec ladite deuxième partie, à une valeur comprise entre 20 % et 95 %, avantageusement entre 30 % et 90 %, de manière préférentielle entre 40 % et 85 %, de préférence entre 50 % et 80%, en particulier entre 60 % et 80 % de D2 à la deuxième extrémité E2.

Le diamètre D1 de la partie amincie du pilier diminue donc progressivement lorsque l’on se déplace le long de l’axe longitudinal du nez de lance vers le bain jusqu’à atteindre une valeur minimum à la deuxième extrémité E2 du pilier située sur la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale.

De préférence, ladite surface incurvée continue entre la partie amincie I du pilier et la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale est caractérisée par un rayon de courbure minimum supérieur ou égal à 20 %, avantageusement supérieur ou égal à 30 %, de manière préférentielle supérieur ou égal à 40 %, en particulier supérieur ou égal à 50 %, de façon particulièrement préférentielle supérieur ou égal à 60 %, de préférence supérieur ou égal à 70 % dudit diamètre prédéterminé D2 de ladite deuxième partie.

Ce rayon de courbure particulier est avantageux pour l’amélioration de l’écoulement du liquide de refroidissement. Ce dernier est ainsi maintenu en contact avec la paroi exposée au bain et les turbulences sont réduites. Il en résulte dès lors une amélioration du refroidissement du nez de lance.

De préférence, dans le nez de lance selon la présente invention, la longueur L1 est telle que le rapport L1/ Dext est compris entre 3 et 50 %, avantageusement entre 5 % et 50 %, de manière préférentielle entre 7 % et 45 %, en particulier entre 9 % et 40 %, de préférence entre 11 % et 35 %, de préférence entre 13 % et 30 %, de manière particulièrement avantageuse entre 15 % et 25 %.

De plus, dans une forme de réalisation particulière, la longueur L2 est telle que le rapport L2/L1 est compris entre 100 % et 200 %, avantageusement compris entre 105 % et 190 %, de manière préférentielle entre 110 % et 180 %, en particulier entre 115 % et 170 %, de préférence entre 120 % et 165 %, de manière particulièrement avantageuse entre 125% et 160, avantageusement entre 130 % et 155 %, de préférence entre 135 % et 150 %.

Ce rapport particulier de longueurs du pilier permet d’améliorer davantage le refroidissement du nez de lance selon la présente invention grâce au phénomène de puits froid obtenu par le pilier « massif ».

Dans une forme de réalisation particulière, le pilier du nez de lance selon la présente invention est monobloc.

De préférence, dans le nez de lance selon la présente invention, ledit séparateur présente à l’ouverture centrale un bord en section axiale qui est incurvé tel qu’une hauteur H3 est définie entre un front dudit bord et ladite troisième paroi frontale et que dans l’espace d’échange thermique une hauteur minimum prédéterminée H1 est présente du côté de ladite ouverture centrale tel que le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80 %, avantageusement entre 5 % et 75 %, de préférence compris entre 5 % et 70 %, de manière préférentielle compris entre 5 % et 65 %, de manière particulièrement avantageuse entre 5 % et 60 %, de préférence entre 10 % et 60 %, avantageusement entre 15 % et 60 %, de préférence compris entre 20 % et 60 %, de manière préférentielle compris entre 25 % et 60 %, de manière particulièrement avantageuse entre 25 % et 55 %, de préférence entre 30 % et 55 %.

La présence de ce séparateur présentant une géométrie particulière permet, d’une part, d’optimiser davantage l’écoulement du liquide de refroidissement traversant l’ouverture centrale où il passe entre le pilier et le bord du séparateur et d’autre part d’accélérer le liquide de refroidissement lors de son passage dans l’espace d’échange thermique. En effet, le bord du séparateur, dans cette forme de réalisation particulière, présente une complémentarité de forme avec la partie amincie du pilier central. Cette complémentarité de forme entre ces deux éléments est particulièrement avantageuse pour l’accompagnement du liquide de refroidissement lors de sa rotation d’environ 180° dans l’ouverture centrale permettant ainsi d’éviter toute turbulence dans le liquide et de maintenir un bon contact avec le pilier servant de « puits froid » et ensuite avec la troisième paroi frontale. Par ailleurs, cette géométrie permet aussi l’accélération du liquide de refroidissement avant son passage dans l’espace d’échange thermique.

De préférence, le nez de lance selon la présente invention est caractérisé par une distance R2, pour le passage du liquide de refroidissement, prise perpendiculairement à l’axe longitudinal L du nez, dans l’ouverture centrale, entre le front du séparateur et la surface externe de la partie amincie I du pilier. Cette distance de passage R2 est telle que le rapport R2/H3 est compris entre 20% et 150%, de préférence entre 30 % et 140 %, avantageusement entre 30 % et 130 %, de manière préférentielle entre 40% et 130 %, de manière particulièrement avantageuse entre 50 % et 130 %, de préférence entre 60 % et 120 %, avantageusement entre 60 % et 110 %, de référence entre 70 % et 110 %. L’invention comprend avantageusement en outre, un déflecteur sensiblement au centre dudit tube central d’alimentation en gaz de brassage.

Ce déflecteur permet de dériver de façon appropriée le gaz quittant le conduit central pour s’engager dans les conduits de sortie.

De plus, dans une forme de réalisation particulière, les axes de révolution des conduits de sortie pour le gaz de brassage sont orientés en oblique par rapport à un axe longitudinal du nez de lance.

Avantageusement, ladite partie amincie I du pilier présente un diamètre minimum prédéterminé D3 à sa deuxième extrémité et ladite zone centrale présente une hauteur h et une base b telles que le rapport h/(b-D3) est compris entre 20 % et 120%, de préférence entre 20 % et 110%, avantageusement entre 30 % et 110 %, de manière préférentielle entre 30 % et 100 %, en particulier compris entre 40 % et 100 %, de manière particulièrement avantageuse entre 40 % et 90 %, de préférence entre 45 % et 85 %, avantageusement entre 50 %et 80 %.

La surface d’échange thermique est de cette manière augmentée par rapport à une même surface du front de chaleur provenant du bain, et cela sans entraîner ni tourbillonnement, ni cavitation dans le liquide. De plus, la section de passage du liquide dans l’espace d’échange thermique est telle que le liquide de refroidissement présente un profil de vitesse adéquat pour que le refroidissement de la paroi frontale exposée au bain soit amélioré davantage.

De préférence, les éléments susdits du nez de lance selon la présente invention sont réalisés séparément et fixés en zone de rattachement mutuel par soudage à haute énergie, de préférence un soudage à faisceau d’électrons.

Le nez précité est réalisé en plusieurs éléments de nez étant chacun constitué d’un matériau choisi selon la fonction à remplir. Ces éléments sont ensuite fixés entre eux par soudage à haute énergie, de préférence par faisceau d’électrons. Ce type de soudage assure des jonctions cuivre-acier facilement réalisables et présentant une bonne étanchéité au liquide et cela malgré les contraintes de fatigue dues aux cycles thermiques successifs auxquels le nez est soumis.

Avantageusement, la troisième paroi frontale et le pilier du nez de lance selon la présente invention peuvent être réalisés en cuivre corroyé qui assure une meilleur conductivité thermique que le cuivre coulé. D’autres formes de dispositif suivant l’invention sont indiquées dans les revendications annexées. D’autres détails et avantages de l’invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et en faisant référence aux dessins annexés.

La figure 1 est une vue de face d’un nez de lance.

La figure 2 illustre une vue en coupe suivant la ligne ll-ll de la Figure 1, d’une forme de réalisation particulière du nez de lance selon l’invention.

La figure 3 représente un détail du pilier d’un nez de lance selon l’invention.

La figure 4 représente une forme de réalisation particulière du nez de lance selon la présente invention.

La figure 5 représente un détail d’un nez de lance selon l’invention, pour illustrer le mode de mesure des paramètres nécessaires à un mode de réalisation avantageux de l’invention.

Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.

La figure 1 illustre la troisième paroi frontale 12 du nez de lance 1 qui est tournée vers le bain. Selon cette forme de réalisation, le nez de lance 1 présente six orifices de sortie de gaz 13 placés en couronne autour d’une zone centrale 14 de la troisième paroi frontale 12.

La figure 2 représente le nez de lance selon la présente invention dans lequel le gaz est alimenté par le tube central 2. Ce tube central 2 est fermé par une paroi frontale 3 dirigée vers le bain et munie d’ouvertures 4.

Un tube interne 5 est agencé de manière coaxiale autour du tube central 2 de manière à former entre eux une cavité annulaire 6 servant à l’alimentation en liquide de refroidissement dans le sens de la Flèche Fi. Ce tube interne 5 est terminé par une paroi frontale 7 que l’on appelle un séparateur. Cette paroi frontale 7 est pourvue d’une ouverture centrale 8 et d’un orifice 9 dans l’alignement de chaque ouverture 4 dans le tube central 2.

Un tube externe 10 est agencé de manière coaxiale autour du tube interne 5. Ce tube externe forme avec le tube interne 5 une cavité annulaire 11 qui sert à la sortie du liquide de refroidissement dans le sens de la flèche F2. Ce tube externe est fermé par une paroi frontale 12 qui fait face au bain à brasser. Comme le montre la figure 2, la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 est pourvue d’une zone centrale 14.

La paroi frontale 12 est aussi pourvue d’un orifice de sortie 13 en alignement avec chaque ouverture 4 prévue dans la paroi frontale 3 et avec chaque orifice de passage 9 prévu dans la paroi frontale 7. Dans chacun de ces orifices et ouvertures alignés est agencé un conduit de sortie 17 pour l’éjection de gaz de brassage à l’extérieur du nez de lance. Les axes de révolution m de ces conduits 17 sont avantageusement dirigés en oblique par rapport à l’axe longitudinal L du nez de lance.

Le refroidissement de la paroi frontale 12 est assuré par la circulation du liquide de refroidissement dans l’espace d’échange thermique 16 qui est situé entre le séparateur 7 et la surface interne 30 de la paroi frontale 12. Dans l’exemple de réalisation illustré, l’eau de refroidissement venant de la cavité 6 passe par l’ouverture centrale 8 dans la zone d’échange thermique 16 suivant la flèche F3. Là, elle s’écoule dans le sens de la flèche F2 vers l’extérieur, c’est-à-dire vers la cavité 11.

Le nez de lance représenté sur la figure 2 présente un pilier 18 présentant une première extrémité E1 du côté de la première paroi frontale 3 et une deuxième extrémité E2 reliée à la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. Le pilier selon la présente invention représenté en détail sur la Figure 3, présente une partie amincie I qui permet de former une surface incurvée continue 19 avec la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. Le liquide de refroidissement provenant de la première cavité annulaire 6 suivant la flèche F-i, longe la face supérieure du séparateur 7 où il doit contourner une première fois les injecteurs 17 avant de converger vers l’ouverture centrale 8. Le pilier 18 présent au centre de cette ouverture centrale 8 permet alors de « tranquilliser » le liquide de refroidissement et de le guider vers la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 où la partie amincie I du pilier 18 assure le passage du liquide entre le pilier 18 et le bord du séparateur 7, suivant la flèche F3. Par ailleurs, la jonction de la troisième paroi frontale 12 avec le pilier 18 présente une surface incurvée continue 19 assurant une rotation progressive du liquide selon la flèche F3. Le liquide de refroidissement dont les perturbations sont amoindries, arrive alors dans l’espace d’échange thermique 16. Le liquide de refroidissement peut alors contourner calmement les injecteurs 17 dans l’espace d’échange thermique avant de ressortir du nez par la deuxième cavité annulaire 11 suivant la flèche F2. Dans cet exemple, les calories accumulées dans la paroi frontale 12 exposée au bain de fonte liquide sont transférées au pilier 18 dont la surface de contact avec le liquide de refroidissement est augmentée grâce à sa partie amincie courbe I.

Par ailleurs, le pilier 18, présente avantageusement une deuxième partie il de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie I et ladite première extrémité E1, ladite deuxième partie II présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D2, constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est de référence compris entre 10 % et 15 %. Le diamètre extérieur

Dext du nez de lance 1 selon la présente invention correspond au diamètre mesuré entre les surfaces externes du tube externe 10.

Le volume occupé par le pilier 18 dans le nez de lance est important ce qui permet de créer ce qui est appelé un « puits froid ». En effet, le pilier 18 étant avantageusement réalisé en un matériau de bonne conductivité thermique, la chaleur provenant du bain et transmise à la troisième paroi frontale 12 et à sa zone centrale 14, peut alors être conduite par le pilier 18 vers les parties internes du nez. Le liquide de refroidissement circulant autour de ce pilier 18 permet d’assurer un captage constant de la chaleur de la troisième paroi frontale 12. Afin d’optimiser celui-ci, les parties les plus exposées au bain, à savoir la troisième paroi frontale et le pilier, peuvent être réalisées en cuivre corroyé qui assure une meilleur conductivité thermique que le cuivre coulé.

La première partie I du pilier 18 est également caractérisée par une longueur prédéterminée L1 mesurée, selon l’axe longitudinal L du nez de lance, telle que le rapport L2/L1 est de préférence compris entre 135 % et 150 %. La première partie amincie I est quant à elle caractérisée, en outre, par un diamètre prédéterminé D1 qui varie progressivement du diamètre D2 à la jonction avec la deuxième partie II à une valeur de préférence comprise entre 20 % et 95 % de D2 à la deuxième extrémité E2 du pilier 18. Le diamètre D1 de la partie amincie I du pilier 18 diminue donc progressivement lorsque l’on se déplace le long de l’axe longitudinal L du nez de lance vers le bain jusqu’à atteindre une valeur minimum, alors appelée D3, à la deuxième extrémité E2 du pilier située sur la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. La deuxième extrémité E2 correspond donc à la section de diamètre minimum D3 de la partie amincie I du pilier 18. Cette section de diamètre minimum D3 de la partie amincie I du pilier 18 est reliée à la zone centrale 14 de la paroi interne 30 de la troisième paroi frontale 12.

La partie amincie I présente également une longueur prédéterminée L1 mesurée le long de l’axe longitudinal L du nez de lance entre la jonction avec la deuxième partie II et la deuxième extrémité E2 du pilier, où le diamètre du pilier est minimum et est alors appelé D3. De préférence le rapport L1/Dextest compris entre 15 % et 25%.

La surface incurvée continue 19 entre la partie amincie I du pilier 18 et la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 est de préférence caractérisée par un rayon de courbure supérieur ou égale à 30 % du diamètre D2 de la deuxième partie II du pilier 18.

Avantageusement le pilier 18 est monobloc.

Dans une forme de réalisation particulière du nez de lance présentée à la figure 4, le séparateur 7 présente à l’ouverture centrale 8 un bord 20 en section axiale qui est incurvé tel qu’une hauteur H3 est définie entre un front 21 dudit bord 20 et ladite surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 et que dans l’espace d’échange thermique 16 une hauteur minimum prédéterminée H1 est présente du côté de ladite ouverture centrale 8. Un diamètre minimum de l’ouverture centrale 8 peut alors être mesuré à partir du front 21 du séparateur. La tangente passant par ce front 21 permet de mesurer le diamètre le plus petit pouvant être mesuré dans l’ouverture centrale 8. La hauteur prise le long de la tangente passant par le front 21 et parallèle à l’axe longitudinal L du nez de lance et mesurée entre ledit front 21 et la troisième paroi frontale 12 correspond à la hauteur H3, telle qu’indiquée sur la figure 4.

Dans cette forme de réalisation, le séparateur 7 est sensiblement plan et sensiblement parallèle à la troisième paroi frontale 12.

La courbure du bord 20 du séparateur 7 a comme avantage d’accompagner le liquide de refroidissement lors de sa convergence dans l’ouverture centrale 8. De plus, comme le montre la figure 4, il peut exister une complémentarité de forme entre le bord 20 du séparateur 7 et la partie amincie I du pilier central 18. Le liquide de refroidissement à perturbation et phénomène de cavitation réduits peut alors entrer calmement dans l’espace d’échange thermique 16 avant de ressortir du nez par la deuxième cavité annulaire 11 suivant la flèche F2.

La hauteur H1 est quant à elle mesurée, parallèlement à l’axe de révolution m de l’injecteur 17, entre la surface tournée vers le bain du séparateur et la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12, du côté de l’ouverture centrale 8. Cette hauteur H1 définit une section de passage minimum pour le liquide de refroidissement dans l’espace d’échange thermique 16 à l’ouverture centrale 8. En d’autres termes, dans le volume contenu dans le cône passant par les axes de révolution m des injecteurs 17, H1 est la hauteur minimale du passage d’eau le long de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12, dans l’espace d’échange thermique 16. Par «section de passage», on entend, selon la présente invention, une section prise perpendiculairement au sens d’écoulement du liquide de refroidissement. De préférence, le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80 %, avantageusement entre 10 % et 60 % de manière préférentielle entre 30 % et 50%.

De préférence, le séparateur 7 présente à son bord 20 une épaisseur e1 de sorte que le rapport e1/Dext est compris de manière préférentielle entre 7 % et 15 %. Généralement, une épaisseur du séparateur 7 est mesurée entre la surface tournée vers la première paroi frontale et la surface tournée vers la troisième paroi frontale du séparateur 7. L’épaisseur e1 du bord 20 du séparateur 7 est donc mesurée parallèlement à l’axe de révolution m de l’injecteur 17, dans la continuité de la hauteur minimum H1 de l’espace d’échange thermique 16 à l’ouverture centrale 8. Cette épaisseur e1 permet au séparateur d’occuper un volume conséquent dans le nez de lance et permet en combinaison avec la courbure du bord 20 de maintenir un écoulement à perturbation réduite et permettant une bonne accélération du liquide de refroidissement.

Dans une forme de réalisation particulière du nez de lance représentée sur la figure 4, la surface tournée vers le bain du séparateur 7 est sensiblement sinusoïdale. Ceci signifie que la surface tournée vers le bain du séparateur 7 présente une épaisseur minimum sensiblement en son centre. En conséquence, l’espace d’échange thermique 16 présente outre une hauteur H1 à l’ouverture centrale 8, une hauteur maximum Hmax sensiblement au centre du séparateur 7. Cette hauteur maximum à, entre autres, comme conséquence d’amoindrir les pertes lors du deuxième contournement des injecteurs 17 dans l’espace d’échange thermique 16. avant son passage dans la deuxième cavité annulaire 11.

Par ailleurs, un déflecteur 22 peut être placé au centre du tube d’alimentation en gaz de brassage 2. Ce déflecteur 22 permet de dériver de façon appropriée l’oxygène quittant le conduite central 2 pour s’engager dans les conduits de sortie 17.

La figure 5 représente un détail de la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 afin d’expliciter la façon de mesurer les paramètres relatifs à cette zone centrale 14. En effet, cette zone centrale 14 peut présenter une hauteur h mesurée entre le plan tangent 32 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale du nez de lance perpendiculaire à l’axe longitudinal L et le plan 31 perpendiculaire à l’axe longitudinal L passant par la section de diamètre minimum D3 de la parte amincie I du pilier 18.

La base b est située dans le plan tangent 32 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale. Elle est circonscrite par les points d’intersection 33 avec le prolongement de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12.

Avantageusement, le nez selon la présente invention présente un rapport h/(b-D3) compris entre 50 % et 80 %.

La figure 5 représente également la distance R2 pour le passage du liquide de refroidissement prise perpendiculairement à l’axe longitudinal L du nez entre le front 21 du séparateur et la surface externe de la partie amincie I du pilier 22. Cette section de passage est telle que le rapport R2/H3 est de préférence compris entre 70% et 110%.

Il est bien entendu que la présente invention n’est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Nez de lance de soufflage (1), destinée au brassage de bain, comprenant : - un tube central d’alimentation en gaz de brassage (2), fermé à une extrémité tournée vers le bain par une première paroi frontale (3) pourvue d’au moins deux ouvertures (4), - un tube interne (5) formant avec le tube central (2) une première cavité annulaire (6) pour le passage d’un liquide de refroidissement et terminé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale appelée séparateur (7) présentant une ouverture centrale (8) et un orifice de passage (9) par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale (4), - un tube externe (10) formant avec le tube interne (5) une deuxième cavité annulaire (11) pour le passage du liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une troisième paroi frontale (12) présentant un orifice de sortie (13) par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale (4) et présentant une surface interne (30) comprenant une zone centrale (14), - un espace d’échange thermique (16) qui est situé entre, d’une part, ladite deuxième paroi frontale (7) et ladite troisième paroi frontale (12) et, d’autre part, ladite ouverture centrale et ladite deuxième cavité annulaire (11), et dans lequel s’écoule le liquide de refroidissement, - un conduit de sortie pour le gaz de brassage, appelé injecteur (17), partant de chaque ouverture (4) dans ladite première paroi frontale (3) et allant jusqu’audit orifice de sortie (13) correspondant en passant par ledit orifice de passage (9) correspondant d’une manière étanche au liquide de refroidissement, et - un pilier (18) comprenant une première extrémité (E1) située à l’opposé du bain et une deuxième extrémité (E2) tournée vers le bain reliée à la zone centrale (14) de la surface interne (30) de la troisième paroi frontale (12), caractérisé en ce que le pilier (18) présente entre lesdites première et deuxième extrémités (E1 et E2) une partie amincie (I) reliée à la zone centrale (14) qui présente une longueur prédéterminée L1 et une section axiale décroissante de manière que le pilier (18) forme avec la zone centrale (14) de la surface interne (30) de la troisième paroi frontale (12) une surface incurvée continue (19).
2. 2. Nez de lance selon la revendication 1 présentant un diamètre extérieur (Dext) prédéterminé et dans lequel le pilier (18) présente une deuxième partie (II) de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie (I) et ladite première extrémité (E1), ladite deuxième partie (II) présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé (D2), constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est compris entre 2 % et 30 %, avantageusement entre 4 % et 25 %, de manière préférentielle entre 4 % et 20 %, en particulier entre 6 % et 20 %, de préférence entre 6 % et 15 %, de manière particulièrement avantageuse entre 8 % et 15 %, avantageusement entre 10 % et 15 %.
3. 3. Nez de lance selon la revendication 2 dans lequel ladite partie amincie (I) présente une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé (D1) variant progressivement de la valeur du diamètre prédéterminé (D2), à la jonction avec ladite deuxième partie (II), à une valeur comprise entre 20 % et 95 %, avantageusement entre 30 % et 90 %, de manière préférentielle entre 40 % et 85 %, de préférence entre 50 % et 80%, en particulier entre 60 % et 80 % de D2 à la deuxième extrémité E2.
4. 4. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 2 et 3 dans ladite surface incurvée continue (19) est caractérisée par un rayon de courbure minimum supérieur ou égal à 20 %, avantageusement supérieur ou égal à 30 %, de manière préférentielle supérieur ou égal à 40 %, en particulier supérieur ou égal à 50 %, de façon particulièrement préférentielle supérieur ou égal à 60 %, de préférence supérieur ou égal à 70 % dudit diamètre prédéterminé (D2) de ladite deuxième partie (II).
5. 5. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel la longueur L1 est telle que le rapport L1/ Dext est compris entre 3 et 50 %, avantageusement entre 5 % et 50 %, de manière préférentielle entre 7 % et 45 %, en particulier entre 9 % et 40 %, de préférence entre 11 % et 35 %, de préférence entre 13 % et 30 %, de manière particulièrement avantageuse entre 15 % et 25 %.
6. 6. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 2 à 5 dans lequel la longueur L2 est telle que le rapport L2/L1 est compris entre 100 % et 200 %, avantageusement compris entre 105 % et 190 %, de manière préférentielle entre 110 % et 180 %, en particulier entre 115 % et 170 %, de préférence entre 120 % et 165 %, de manière particulièrement avantageuse entre 125 % et 160, avantageusement entre 130 % et 155 %, de préférence entre 135 % et 150 %.
7. 7. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel ledit pilier (18) est monobloc.
8. 8. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce ledit séparateur (7) présente à l’ouverture centrale (8) un bord (20) en section axiale qui est incurvé tel qu’ une hauteur (H3) est définie entre un front (21) dudit bord (20) et ladite troisième paroi frontale (12) et que dans l’espace d’échange thermique (16) une hauteur minimum prédéterminée (H1) est présente du côté de ladite ouverture centrale (8) tel que le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80%, avantageusement entre 5 % et 75 %, de préférence compris entre 5 % et 70 %, de manière préférentielle compris entre 5 % et 65 %, de manière particulièrement avantageuse entre 5 % et 60 %, de préférence entre 10 % et 60 %, avantageusement entre 15 % et 60 %, de préférence compris entre 20 % et 60 %, de manière préférentielle compris entre 25 % et 60 %, de manière particulièrement avantageuse entre 25 % et 55 %, de préférence entre 30 % et 55 %.
9. 9. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel un déflecteur (22) est présent sensiblement au centre dudit tube central (2) d’alimentation en gaz de brassage.
10. 10. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les injecteurs (17) présentent un axe de révolution (m) orienté en oblique par rapport à un axe longitudinal (L) du nez de lance.
11. 11. Nez de lance selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel ladite partie amincie I du pilier (18) présente un diamètre minimum prédéterminé D3 à ladite deuxième extrémité (E2) et ladite zone centrale (14) présente une hauteur h et une base b telles que le rapport h/(b-D3) est compris entre 20 % et 120%, de préférence entre 20 % et 110 %, avantageusement entre 30 % et 110 %, de manière préférentielle entre 30 % et 100 %, en particulier compris entre 40 % et 100 %, de manière particulièrement avantageuse entre 40 % et 90 %, de préférence entre 45 % et 85 %, avantageusement entre 50 %et 80 %.
12. 12. Nez de lance de soufflage selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les éléments susdits du nez sont réalisés séparément et fixés en zone de rattachement mutuel par soudage à haute énergie, de préférence un soudage à faisceau d’électrons.