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L'invention est relative à un procédé et à un dispositif pour injecter des gaz oxydants, sous forme d'un jet, à une vitesse approximative- ment sonique sur la surface d'une masse de fer ou d'acier fondu dans des fours à sole dits "fours Martin", basculants ou fixes, et dans des "mé- langeurs" aussi bien du genre "actif" que du genre "inactif".
Un but particulier de l'invention est de réaliser un dispositif perfectionné dans lequel on peut mélanger, au gaz oxydant débité par celui- ci, de la vapeur d'eau ou d'autres gaz diluants qui sont mélangés à ce gaz oxydant, avant que celui-ci n'atteigne la surface du fer ou de l'acier fondu.
Dans le brevet belge ? 559.417. déposé le 22 juillet 1957 au même nom sous le titre "Perfectionnements à l'élaboration de l'acier", on a décrit un injecteur d'oxygène dont la buse d'injection a une extré- mité coudée, l'injecteur étant introduit à travers la voûte du four sur laquelle il est monté d'une manière réglable.
L'injecteur, décrit dans la demande de brevet sus-indiquée, est constitué de manière telle que de l'oxygène seulement soit débité sur la surface du bain métallique et cette disposition antérieure présente de nombreux avantages indiqués en détail dans cette demande de brevet anté- rieure. En particulier, l'agencement de l'injecteur est tel qu'il permette d'accroître considérablement la durée de service de l'injecteur et qu'on obtienne un refroidissement approprié de celui-ci. De plus, le montage de l'injecteur dans la voûte présente l'avantage que l'introduction de l'in- jecteur ne gêne pas le chargement et la vidange ordinaires du four.
L'usage de gaz oxydants, constitués par de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène, donne lieu, dans certaines conditions, à la formation de quantités considérables de fumées brunes qui viennent heurter la sur- face de l'acier ou du fer fondu, plus spécialement quand le bain contient des quantités substantielles de carbone. Les fumées brunes ainsi formées sont très nuisibles et on a constaté que le mélange de vapeur d'eau à l'oxygène réduit fortement les quantités des fumées brunes produites.
L'invention a donc comme autre but de réaliser un injecteur dont l'agencement permet le mélange aisé d'oxygène et de vapeur d'eau ainsi que le réglage du rapport de ces deux fluides afin qu'il convienne à la com- position de la charge.
Selon un aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un procédé pour affiner une charge d'acier fondu doux au four Martin, ce procédé con- sistant à injecter un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau ou d'autres gaz diluants dans la charge, la vapeur ou les autres gaz diluants étant mélangés à l'oxygène avant que celui-ci n'atteigne la surface de la charge.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un injecteur destiné à être abaissé à travers la voûte d'un four Martin pour diriger un courant mélangé d'oxygène et de vapeur d'eau ou d'autres gaz diluants sur une charge contenue dans le four, ledit injecteur comprenant un corps de forme allongée, un organe tubulaire établi axialement dans ledit corps pour permettre le passage d'oxygène dans cet organe, l'extré- mité inférieure de celui-ci affleurant l'extrémité dudit corps, un deuxième organe tubulaire logé dans le premier pour permettre le passage de vapeur d'eau ou d'autres gaz diluants dans ce deuxième organe, l'extrémité infé- rieure de celui-ci aboutissant à une distance réduite du premier organe tubulaire de manière telle que,
dans l'extrémité inférieure de celui-ci soit formée une chambre de mélange pour l'oxygène et le ou les gaz dilu- ants.
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Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, en coupe longitudinale verticale, un four Martin dans lequel l'injecteur de vapeur/oxygène, établi selon l'invention, occupe sa position abaissée ou activée
La fige 2 montre, en élévation (parties en coupe suivant II-II fig. 4), la constitution interne de cet injecteur.
La figo 3 montre, en vue de côté dans le sens des flèches indi- quées sur la figo 2, ce même injecteur dont certaines parties dont indi- quées en coupe pour montrer d'autres détails de la constitution interne de celui-ci.
La fig. 4 montre, à plus grande échelle et en coupe selon IV-IV fig, 2, l'emplacement des tuyaux de refroidissement autour des tubes centraux pour l'oxygène et la vapeur.
La fig. 5 montre, en perspective le guide établi sur la voûte du fond de l'injecteur.
Sur les dessins et plus particulièrement sur la fig. 1, l'injec- teur de vapeur/oxygène est désigné, dans son ensemble, par 10 et est logé et supporté dans la voûte 11 d'un four Martin 12 de la manière décrite dans la demande de brevet indiquée plus haut. On rappelle, toutefois, que l'injecteur est supporté par un câble 13 passant sur une poulie 14 montée sur la toiture du bâtiment dans lequel est établi le four. Le câble 13 passe horizontalement (d'une manière non montrée) sur une autre poulie et redescend pour venir s'enrouler sur les tambours d'un treuil électrique fixé sur des poutrelles au-dessus du four ou en tout autre endroit conve- nable .
L'injecteur 10 s'étend de haut en bas à travers une ouverture 15 ménagée dans la voûte 11 du four. L'ouverture 15 est adjacente à une extrémité d'un panneau 16 en briques de magnésite ou chrome qui est inséré dans la voûte 11 du four. Les briques en magnésite au chrome sont plus résistantes aux effets du laitier fondu que les briques en silice du four et le panneau 16 est, par conséquent, disposé de manière telle que sa plus grande partie se trouve dans le sens suivant lequel le jet de vapeur et d'oxygène est débité par l'injecteur afin que la voûte du four ne risque pas d'être abimée par les éclaboussures de laitier. Dans l'ou- verture 15 est logé un anneau refroidisseur 17 qui entoure l'injecteur 10.
Par le refroidissement de l'ouverture 15, les gaz du four, qui s'échappent par cette ouverture, sont refroidis et leur effet de désagrégation de la voûte 11 et des bords de l'ouverture est considérablement réduit. L'injec- teur comporte, en outre, un guide 18 qui est placé directement au-dessus de l'ouverture 15 ou une construction en poutrelles désignée par 19.
Le guide 18, comme décrit plus loin en détail en se référant à la fig. 5, sert à aider le câble 13 à supporter l'injecteur en position et à empêcher qu'il tourne à l'intérieur du four quand il occupe sa position de fonction- nement.
On va décrire maintenant l'injecteur 10 en se référant aux fig.
2 à 4.
L'injecteur comporte un corps en acier 20 constitué par un tube en acier doux ayant un diamètre intérieur de 100 mm et un diamètre exté- rieur de 115 mm. Sur l'extrémité inférieure de ce corps est fixée, par un anneau 22, une buse en cuivre 21 ayant les mêmes diamètres intérieur et exéren que le corps 20. L'extrémité inférieure 23 du tube en cuivre 21 est coudée
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en 24 suivant un angle d'environ 25 et comporte un embout 25 par lequel le mélange vapeur/oxygène est soufflée Le côté le plus long de la partie coudée a une longueur d'environ 115 mmo Sur l'extrémité supérieure du corps en acier 20 est fixée une pièce de liaison 26, en forme de U, à laquelle est attaché le câble de descente 13, en acier (figo 1).
A la partie supérieure du corps de l'injecteur 20 est fixé un tuyau coudé 27 pour l'admission d'eau de refroidissement. Cette eau pénètre dans une chambre 28 au-dessus d'une cloison 29 traversée par les extrémités supérieures ouvertes de trois tuyaux 30, en acier doùx, qui s'étendent, en substance, sur toute la longueur de l'injecteur.
Ce groupe de trois tuyaux en acier 30 entoure un ensemble 31 formé par des tubes centraux pour la vapeur et l'oxygène et amène l'eau jusqu'à une distance inférieure à 25 mm d'une plaque de fermeture 32 prévue à l'extrémité inférieure de l'injecteur, L'eau vient heurter la plaque 32 en réalisant efficacement le refroidissement nécessaire de la buse 25 de l'injecteur, l'eau s'écou- lant ensuite vers le haut de l'injecteur dans l'espace 33 formé entre la paroi du corps 20 de l'injecteur et celles de l'ensemble 31 formé par les tubes centraux pour la vapeur et l'oxygène.
Quand l'eau atteint la face inférieure de la cloison 29, elle s'échappe à l'extérieur par le tuyau de sortie 340
Les tuyauxde refroidissement par l'eau 30 ont une section trans- versale ovale, ce qui est obtenu en aplatissant des tuyaux en acier or- dinaires, à section circulaire, afin que la section transversale de ces tuyaux soit suffisamment grande pour amener la quantité d'eau nécessaire à l'embout de la buse 25 de l'injecteur tout en permettant de loger ces tuyaux ainsi que l'ensemble 31 des tubes centraux pour la vapeur et l'oxy- gène, dans un tube extérieur 20 dont le diamètre est le plus petit possible en réduisant ainsi au minimum les pertes de chaleur par le four et les dimensions de l'ouverture 15 ménagée dans la voûte 11.
Des bagues d'écar- tement 35, soudées au tube 20, maintiennent les tuyaux 30 dans des positions convenablement écartées du tube 200
De la vapeur est fournie à l'injecteur par un tube 36 en acier doux et est amenée par celui-ci suivant l'axe de l'injecteur jusque dans une chambre de mélange 37 qui se trouve approximativement à l'entrée du tube en cuivre 21. L'oxygène est founi à .l'injecteur par un tuyau d'ad- mission 38, en acier doux, et pénètre dans une chambre élargie 39, en acier doux, avant de s'écouler vers le bas, suivant l'axe de l'injecteur, dans un espace annulaire 40 formé entre la face interne de son tube d'alimenta- tion 38, en acier doux, et le tube de vapeur 36 qui est logé dans le tube 38.
L'oxygène est également amené, par cet espace annulaire 40, dans la chambre de mélange 37 dans laquelle l'oxygène et la vapeur pénètrent et se mélangent dans un tube 41,en acier doux et de forme conique, fixé sur l'extrémité du tube extérieur 38 par lequel l'oxygène est fourni. Le mé- lange oxygène/vapeur s'écoule ainsi dans l'embout 25, en cuivre, qui est fixé à l'extrémité libre du tube conique 41, en acier, dans le tube en cuivre 23, et par cet embout le mélange est éjecté, à l'extrémité de l' injecteur, sous la forme d'un jet, vers le bain de fer ou d'acier contenu dans le fond 12.
Des pièces d'écartement 42 , en forme de segment et en acier doux, sont soudées au tube intérieur 36, en acier, pour la vapeur, pour maintenir celui-ci à un écartement convenable du tube d'oxygène 36 pour conserver ainsi l'espace annulaire 40 par,lequel s'écoule l'oxygène.
La chambre élargie 39, établie dans le tuyau 38 pour l'admission d'oxygène à la partie supérieure de l'injecteur, est prévue pour qu'il
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n'y ait pas de perte de pression dans l'alimentation en oxygène par suite du fait que celui-ci doit venir frapper, à une vitesse élevée, le tube à vapeur central 36 qui pénètre dans cette chambre en formant un coude au-dessous de l'entrée de l'oxygène. La chambre élargie 39 diminue la vitesse de l'oxygène gazeux quand il passe sur le tube à vapeur coudé, ce qui diminue les pertes de pression qui se prcduiraient sans cela à cause de cet obstacle établi dans le courant d'oxygène.
Une caractéristique essentielle de cet injecteur est que l'oxy- gène s'écoule par l'espace annulaire 40 formé entre le tube à vapeur central 36 et la face interne du tube à oxygène 38. Par conséquent, le tube à oxygène 38 est en contact avec la chemise d'eau, de sorte que l'oxygène, contenu dans l'espace annulaire, agit comme un calorifuge pour le tube à vapeur 36, ce qui diminue les pertes de chaleur qui se produi- raient sans cela depuis la vapeur vers la chemise d'eau en provoquant ainsi la condensation de la vapeur et des pertes de pression.
A proximité de l'extrémité supérieure du corps 20 de l'injecteur sont prévues deux barres de positionnement radiales 43 qui sont en acier de bonne qualité et qui servent à supporter l'injecteur dans le guide 18 et à fixer sa position par rapport à celui-ci de la manière décrite ci- dessous.
Quand l'injecteur occupe sa position abaissée ou active, (comme montré sur la fige 1). il est supporté par le guide 18 représenté sur la fig. 5. Ce guide 18 comporte une base annulaire 44 d'où s'étendent, verti- calement vers le haut, des tubes avant coudés 45 et des tubes arrière cou- dés 46, plus hauts. Il est à noter que les tubes 45 et 46 sont coudés de manière telle que leurs parties inférieures forment des fentes 47 dans lesquelles viennent se loger les barres de positionnement 43 montées sur l'injecteur d'oxygène.
Des supports verticaux 48 renforcent les tubes 45 et 46 et les relient à la base 44. L'ensemble du guide de l'injecteur est constitué en acier.
Le guide 18 est placé sur la voûte du four Martin dans une posi- tion telle que l'axe du jet de vapeur et d'oxygène, débité par l'injecteur, soit parallèle à l'axe longitudinal du four. Comme le bain d'acier est fortement agité par le jet de vapeur et d'oxygène, il est avantageux de diriger le jet suivant l'axe longitudinal du four. Le maintien des barres de positionnement 43 dans les fentes 47 du guide empêche la rotation de l'injecteur d'oxygène pendant le fonctionnement de celui-ci.
Les tubes arrière surélevés 46 servent à rassembler les diffé- rents tuyaux souples aboutissant à l'injecteur et à empêcher qu'ils puissent être endommagés par l'un quelconque des appareillages auxiliaires qui se trouvent à proximité du four. Sur la fig. l, le tuyau d'admission d'eau 27 est relié à une source d'eau de refroidissement par un tuyau flexible 54 et le tuyau de sortie d'eau 34 à un collecteur d'eau par un tuyau flexible 49. La vapeur est amenée par un tuyau flexible 50 et l'oxy- gène par un tuyau flexible 51.
Le guide 18 sert aussi à supporter l'injecteur au-dessus du bain en cas de défaillance du câble de suspension 13.
L'anneau 17 est constitué par un tronçon continu d'un tube en acier, en forme de serpentino L'eau de refroidissement pénètre par l'ad- mission d'eau 52, circule dans le serpentin depuis le bas vers le haut et s'échappe par la sortie 53.
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L'utilisation d'un refroidisseur de voûte en forme de serpentin continu présente l'avantage important qu'il existe une circulation conti- nuelle de l'eau de refroidissement dans tout l'anneau. Il en résulte un débit maximum constant dans le serpentin tout entier. Cette constance du débit maximum a pour effet d'améliorer fortement la durée de service du serpentin hélicoïdal refroidi par l'eau, cette amélioration étant telle qu'elle prolonge cette durée d'environ cinq foiso
Quand on veut faire fonctionner l'injecteur, il est avantageux, avant de le faire descendre, de l'alimenter d'abord avec de la vapeur pour purger cet injecteur de toutes les petites accumulations d'eau qui pour- raient rester dans les tubes ou tuyaux à la suite d'un usage précédent.
On interrompt alors l'arrivée de la vapeur et on fait descendre l'injec- teur jusqu'à sa position de fonctionnement dans laquelle il se trouve de 100 à 130 mm au-dessus du niveau du bain et on fait passer d'abord l'oxy- gène afin d'être certain que le premier impact du jet sur la surface du bain liquide ne presque pas une solidification du métal ou du laitier à proximité de l'ouverture, ce qui pourrait donner lieu à un bouchage par- tielo Après un débit d'oxygène pendant quelques secondes, il est très avan- tageux d'ouvrir la vanne de vapeur et de faire le mélange du jet.
Le dégagement de l'injecteur hors du four se fait dans l'ordre inverse, c'est- à-dire en interrompant d'abord le débit de la vapeur et ensuite celui de l'oxygène, après quoi on fait remonter l'injecteur par l'ouverture de la voûte jusqu'à ce que son intervention suivante soit nécessaireo
La qualité de la vapeur, utilisée pour un traitement de ce genre, est importante et il est avantageux que cette vapeur soit surchauffée aussi fortement que possible.
On réduit ainsi au minimum toute condensation de la vapeur qui pourrait se produire pendant son passage dans l'injecteuro Jusqu'ici,la vapeur a été fournie à une température de 288 et à une pres- sion pouvant atteindre 14 kg/cm2o
Pour le fonctionnement d'un four Martin de 200 tonnes, le débit en oxygène peut typiquement être de l'ordre de 850 à 1.020 m3/heure et le débit en vapeur de l'ordre de 850 à 1.130 m3/heureo Le volume de la vapeur est environ 50% de celui du jettotalo Le débit total de 10700 à 20150 m3/ heure de vapeur plus l'oxygène est supérieur à celui adopté pour un jet formé uniquement par de l'oxygène pour obtenir une oxydation équivalente.
Ceci, joint au fait que la fraction de vapeur ne réagit pas avec le bain pour former des produits d'oxydation non gazeux comme le fait l'oxygène, permet d'obtenir que la turbulence et les troubles produits dans la zone de réaction soient plus grands qu'avec de l'oxygène utilisé seulo
Il est possible, à cause de cette turbulence plus grande, d'ob- tenir des degrés de décarburation plus élevés avec le jet vapeur/oxygène comparativement à ceux obtenus avec l'équivalent en oxygène pur
La vapeur subit une dissociation au contact du fer ou de l'acier fondu en se décomposant en hydrogène et en oxygène, ce dernier contribu- ant au degré total d'oxydation qui se produit dans la zone de réaction.
On estime que la moitié environ du volume de vapeur est dissociée pour fournir de l'oxygène libre qui participe à la réaction. Ceci permet, évidemment, de faire une économie considérable en ce qui concerne le volume d'oxygène nécessaire et, par conséquent, de réduire les dépenses.
L'avantage principal, résultant de l'usage d'un jet mixte vapeur/ oxygène comparativement à l'utilisation d'oxygène pur, est que les fumées brunes sortant de la cheminée du four sont fortement diminuées en densitéo On croit que ceci résulte, en partie, du fait qu'une quantitié plus petite
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d'oxygène pur est utilisée pour obtenir une réaction oxydante équivalente auquel s'ajoute que la présence de la vapeur dans la zone de réaction produit un effet refroidisseur, ce qui réduit la volatilisation du fer.
Le jet mixte oxygène/vapeur est moins exothermique que l'oxygène pur et ce facteur peut être modifié en faisant varier la préparation de la vapeur par rapport à l'oxygène. Il en résulte alors qu'au cours du trai- tement d'affinage pour l'élaboration de l'acier l'usage d'oxygène seul tend parfois à produire une élévation de température trop rapide, même si le four n'est pas chauffé par un combustible, que le jet oxygène/vapeur pro- cure un accroissement plus stable et plus aisément réglable de la tempéra- ture, de sorte que la température voulue pour la coulée peut être obtenue avec plus de précision.
REVENDICATIONS.
1. Un procédé pour affiner une charge d'acier fondu dans un four Martin, ce procédé consistant à injecter un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau ou d'autres gaz diluants dans la charge,la vapeur ou les autres gaz diluants étant mélangés à l'oxygène avant que celui-ci n'atteigne la surface de la charge.