EP0119937A1 - Buse d'injection d'oxygène à jet supersonique stabilisé pour la décarburation des fontes et, en particulier, des fontes au chrome - Google Patents

Buse d'injection d'oxygène à jet supersonique stabilisé pour la décarburation des fontes et, en particulier, des fontes au chrome Download PDF

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EP0119937A1
EP0119937A1 EP84420018A EP84420018A EP0119937A1 EP 0119937 A1 EP0119937 A1 EP 0119937A1 EP 84420018 A EP84420018 A EP 84420018A EP 84420018 A EP84420018 A EP 84420018A EP 0119937 A1 EP0119937 A1 EP 0119937A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
oxygen
neck
nozzle according
lateral orifice
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP84420018A
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German (de)
English (en)
Inventor
Georges Marizy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ugine Aciers SA
Ugine Savoie SA
Original Assignee
Ugine Aciers SA
Ugine Savoie SA
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/005—Manufacture of stainless steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/068—Decarburising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors

Definitions

  • the oxygen injection nozzle which is the subject of the invention, constitutes an improvement on that described in French patent n ° 2 ' 489 368.
  • the nozzle which is the subject of the invention relates to the decarburization of cast irons by means of lances disposed above the level of a bath of liquid iron which emit, through a nozzle , a jet of oxygen towards the surface of this melt.
  • the invention relates more particularly to the decarburization of large volumes of liquid pig iron by means of oxygen injection lances equipped with the nozzle according to the invention.
  • the invention relates especially to the decarburization of chromium cast iron on an industrial scale.
  • the nozzle for the decarburization of cast iron with a supersonic oxygen jet which is described in the patent FR.
  • the essential characteristic of 2,489,368 is a frustoconical divergent whose apex angle is between 60 and 70 ° and preferably between 62 and 66 °.
  • the divergent may comprise, beyond the frustoconical part, a surface of revolution around the same axis, the generating curve of which has a concavity oriented inward.
  • This nozzle has given particularly favorable results for the decarburization of chromium cast irons by applying the method described in the FR patent. 2,474,531. Thanks to its particular shape, it makes it possible to cause the emulsion of cast iron with liquid chromium by the action of the jet of oxygen and by the formation of C0 under conditions which lead to obtaining very high yields. high in Fe and Cr.
  • the nozzle which is the subject of the invention comprises, like that which is the subject of FR. 2,489,368, a divergent.
  • This divergent preferably comprises at least one frustoconical part with an angle at the apex between 60 and 70 °; the wall of the neck of this nozzle has at least one lateral orifice which communicates the interior of the neck with an annular space which surrounds it, which is connected to an oxygen inlet so that at least part of the oxygen which feeds the nozzle penetrates inside the neck through this lateral opening.
  • the frustoconical part of the diverging portion can be extended by a surface of revolution, the generating curve of which has a concavity oriented inward.
  • At least one means of deflecting the oxygen current which penetrates inside the neck through the lateral orifice makes it possible to give a tangential component to its direction of movement, which causes a rotational movement of this current around of the nozzle axis.
  • Such a deflection means may comprise at least one radial partition inclined with respect to the generatrices of the neck, housed in the annular space which surrounds the neck, so as to communicate to the oxygen which traverses this annular space a rotational movement around the axis of the nozzle before entering the interior of this neck through the lateral orifice.
  • the lateral opening is preferably annular; it may possibly itself include a deflection means constituted by partitions making it possible to improve the distribution of the oxygen supply inside the neck, all around the axis of the nozzle, and oriented so as to helping to give the oxygen nets which pass between these partitions a direction of movement comprising a tangential component.
  • the nozzle advantageously includes a second oxygen inlet via an axial passage arranged in the extension of the neck.
  • the oxygen flow rates are preferably adjusted so that at least 50% of the oxygen enters the neck through the lateral orifice.
  • Oxygen can also be introduced into the cervix only through the side port.
  • a fluid other than oxygen such as a hydrocarbon, or else a powder or granular solid such as a carbonaceous material, a metal, a metal oxide or the like.
  • FIG. 1 represents a supersonic oxygen jet nozzle according to the invention with a frustoconical divergent.
  • This nozzle (1) of axis X 1 X 2 comprises a frustoconical diverging portion (2) whose axis is that of the nozzle and whose apex angle (a) is between 60 and 70 °. In the case of the figure, this angle is approximately 65 °.
  • It is supplied by two oxygen inlets A 1 and A 2 , which are each connected to a source of oxygen. The pressure of which is sufficient to allow a supersonic jet to be obtained.
  • the neck (3) of the nozzle consists of a cylindrical tube whose axis is that of the nozzle and inside which opens an annular lateral orifice (4) formed in the vicinity of the connection circumference (5) between the 'downstream end of the inner wall of the neck (3) and the divergent (2).
  • An annular space (6) which surrounds the neck in a substantially coaxial manner is connected to the oxygen inlet (A 1 ).
  • This oxygen current flows through this annular space (6) and enters the neck through the annular lateral orifice (4).
  • the oxygen current moves substantially transversely relative to the axis X 1 X 2 of the nozzle. As soon as it penetrates the neck, it is deflected towards the exit of the neck, then crosses the divergent (2).
  • the annular surfaces (7) and (8) which constitute the lips of the annular lateral orifice (4), can either be planes perpendicular to the axis X 1 X 2 , or have an inclination making it possible to give the threads of oxygen a direction which is not contained in a plane perpendicular to the axis X 1 X 2 , but which is more or less inclined with respect to this axis.
  • the upstream end of the neck (3) of the nozzle is connected to a chamber (9) which is itself connected to the oxygen inlet (A 2 ).
  • the oxygen current coming from (A 2 ) flows through therefore the interior (10) of the neck (3), parallel to the axis X 1 X 2 , then meets the current of oxygen coming from (A 1 ).
  • the set of two streams then enters the divergent (2) and crosses it.
  • the nozzle comprises, in known manner, means for cooling by circulation of water through annular spaces (14) and (15) which surround in a substantially coaxial manner the assembly formed by the neck (3) and the wall. outside (11) of the annular space (6).
  • This water, or any other cooling fluid enters (B 1 ) and leaves in (B 2 ) after having traversed the space between the wall (11), the divergent (2) and the external wall (12) of the nozzle.
  • This space includes an annular partition (13) which forces the water entering (B 1 ) to descend into the gap (14) between this partition (13) and the partition (11) so as to come into contact with the wall (2) of the divergent before rising in the gap (15) between the outer wall (12) of the nozzle and the partition (13), then exit at (B 2 ).
  • Such a nozzle makes it possible to very significantly improve the chromium yield, when it is used in the decarburization process of chromium cast irons described in the FR. 2,474,531.
  • this nozzle for the decarburization of chromium melts by means of small test ovens, containing about 60 kg of liquid iron, chromium yields close to 99% are reached.
  • about 70 to 90% of the oxygen is introduced for example through the inlet (A 1 ) so as to make it penetrate inside the neck (3) through the annular lateral orifice (4), while that the rest is introduced through the entrance (A 2 ) and runs through the interior space (10) of the neck (3) parallel to the axis X 1 X 2 before meeting the transverse jet of oxygen coming from the orifice lateral annular (4).
  • nozzles according to the invention of small dimensions, comprising for example a neck diameter of approximately 2 mm, it is more difficult to obtain very good performance in the case of the application of the process to ovens containing several tonnes of pig iron.
  • a first improvement consists in communicating to the oxygen current coming from (A 1 ), which penetrates inside the neck (3) through the lateral orifice, a direction of movement comprising a tangential component which causes a rotational movement of this current around the axis X 1 X 2 .
  • FIG. 2 shows a simple and advantageous means of producing this rotation.
  • This figure partially shows a nozzle (16) provided with a neck (17) which comprises, in the vicinity of the connection circumference (18) of its internal wall with the frustoconical diverging portion (19), an annular lateral orifice (20 ).
  • the annular surfaces (22 and 23) form the edges of the lateral orifice (20) and lie in planes perpendicular to the axis X3X4.
  • the annular space (21) is connected, not shown, by its end superior, with an oxygen supply.
  • the same result can be obtained, as has already been said above in the case of FIG. 1, by means of a single annular lateral orifice whose edges are not planar but inclined relative to a plane perpendicular to the axis X 3 X 4 .
  • the nozzle represented in FIG. 2 comprises, like that of FIG. 1, water cooling through the annular spaces (27 and 28), separated by the partition (29), which surround the neck (17), the annular space ( 21) and the divergent (19).
  • the use of the nozzle according to the invention makes it possible to avoid the formation of solid deposits on the internal walls (19) of the nozzle, originating from projections from the surface of the molten metal bath. It can be seen that this result is due to the fact that the jet of oxygen marries the walls (19) of the nozzle, the veins of oxygen running along these walls having a sufficiently high speed to prevent the impact on these walls (19) of the solid or liquid particles projected from bottom to top from the metal bath.
  • the device according to the invention also promotes the post-combustion of the CO which is released from the metal bath. Indeed, a fraction of the oxygen injected through the nozzle quickly moves away from the axis of the supersonic jet and reacts on the CO already formed which is oxidized to C02. This post-combustion phenomenon allows a faster rise in temperature of the metal bath from the first phase of decarburization and, therefore, faster reaching of the trigger point of the gas / strong liquid emulsion. All other things being equal, the final temperature of the liquid pig iron after decarburization is higher by 100 ° C. when using the nozzle with supersonic oxygen jet stabilized according to the invention instead of a nozzle with non-supersonic oxygen jet stabilized.
  • the nozzle according to the invention When the dimensions of the nozzle according to the invention become particularly large, for the purpose of treating large quantities of cast iron with chromium, or else of unalloyed or low alloyed cast iron, it is advantageous to bring to the nozzle according to the invention a second improvement which consists in providing it with a divergent comprising beyond a frustoconical part a surface of revolution about the same axis whose generating curve has a concavity oriented inward.
  • FIG 3 shows the end zone of such a nozzle.
  • This nozzle (31) like the nozzle (16), is provided with a neck (32) whose internal wall is connected at its lower end (33) to the frustoconical part (34) of the divergent.
  • the oxygen supply takes place, on the one hand, along the neck (32) parallel to the axis X5X 6 of the nozzle and, on the other hand, through the annular lateral orifice (35) coming from annular space (36); a helical partition (37) 'gives the oxygen current which flows through the annular space a rotational movement before this current crosses the orifice (35).
  • the frustoconical part (34) of the divergent angle of 65 ° at the top is connected by its flared end (38) with a surface of revolution (39) which has the same axis X 5 X 6 as the frustoconical part (34).
  • This surface of revolution (39) has a concavity oriented inwards so that the angle which the tangent to the generator makes with respect to the axis X 5 X 6 decreases from the connection zone (38) with the frustoconical part (34) to the outer edge (40) of the divergent.
  • the surface (39) is substantially parabolic.
  • the supersonic oxygen jet nozzle according to the invention having the characteristics of the nozzle (31), is suitable for the decarburization of large quantities of chromium pig iron by the process described in FR. 2,474,531.
  • This nozzle is also suitable for treating other types of cast irons such as low-alloy or non-alloy cast irons.
  • a nozzle according to the invention is used such as the nozzle (16) shown in FIG. 2.
  • This nozzle comprises a neck (17) constituted by a cylindrical tube of 20 mm internal diameter. At its downstream end, this neck is connected to a divergent (19) constituted by a truncated cone of 65 ° angle at the top and 40 mm in height.
  • a lateral annular orifice (20) allows the penetration of oxygen inside the cervix from the annular space (21).
  • the annular surfaces (22 and 23) which form the walls of the lateral orifice (20) are in planes perpendicular to the axis X 3 X4, spaced from each other by 7 mm.
  • the plane of the surface (22) is at a distance of approximately 10 mm from the connection circumference (18) of the internal wall of the neck (17) with the frustoconical diverging portion (19).
  • This nozzle has a helical partition (24) disposed in the annular space (21). It is fixed to the end of a lance, not shown, which supplies it with oxygen by means of two pipes, one connected to the upstream end of the coil, the other connected to the annular space (21). Adjustment means make it possible to adjust the oxygen flow rate through each of these pipes.
  • water inlet and outlet pipes which also run through the lance, make it possible to circulate the water through the annular spaces (27 and 28) which surround the neck (17), the annular space ( 21) and the divergent (19).
  • This nozzle to decarburize a mass of 4.2 t of liquid chromium cast iron whose initial temperature is 1345 ⁇ C, contained in a converter with an internal diameter of about 1.4 m.
  • the lance at the end of which the nozzle is fixed, is arranged so that the axis X 3 X 4 of the nozzle is substantially vertical, the outer edge (30) of the diverging part (19) being at a distance from the 210 mm liquid iron surface.
  • This cast iron has the following initial composition in% by mass:
  • the oxygen supply is carried out from a network under a pressure of 10 bars; the total flow rate is 13.6 Nm 3 / min. A fraction equal to 20% of this flow rate is introduced at the upstream end of the neck and crosses it parallel to the axis X 3 X 4 "
  • the rest ie 80%, is introduced into the annular space (21) and enters the neck through the annular lateral orifice (20).
  • a stabilized supersonic oxygen jet is thus produced according to the invention.
  • the liquid pig iron is initially covered with approximately 40 kg of a CaO-based slag.
  • the temperature of the liquid iron reaches 17C0 ° C and the carbon content 2.6%.
  • the small amount of slag initially present was expelled at the edges of the converter and the jet of supersonic oxygen directly struck the liquid iron.
  • a nozzle such as that represented in FIG. 3 which comprises at the -from a frustoconical part a surface of revolution of the same axis, the generating curve of which has a concavity facing inward.
  • the section of the lateral orifice is approximately 440 mm 2 while that of the neck is 314 mm 2.
  • the ratio of the sections between orifice is preferably maintained lateral and neck between 1.2 and 1.6.
  • the distribution of the total oxygen flow rate between the axial inlet along the neck of the nozzle and the inlet through the lateral orifice can vary within wide proportions.
  • the quantity of oxygen introduced through the lateral orifice is preferably greater than 50% of the total flow.
  • nozzles with a stabilized supersonic oxygen jet according to the invention give particularly favorable results when their divergence consists of a truncated cone with an angle of 60 to 70 ° at the top, it is also possible to produce nozzles according to the invention, the divergent of which has substantially different characteristics.
  • the axial passage through the neck to introduce into the liquid iron fluids other than oxygen, such as neutral or reactive gases, liquids or preferably solids pulverulent or granular. Solids may optionally be entrained through the nozzle by means of a stream of oxygen or other fluid. It is thus possible to envisage introducing, through the nozzle according to the invention, elements or compounds for treating the iron bath or else addition elements making it possible to modify the composition of this iron.

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Abstract

La buse d'injection d'oxygène suivant l'invention concerne la décarburation des fontes. Elle constitue un perfectionnement de la buse décrite dans le EP 46721.7.
Cette buse à jet d'oxygène supersonique, qui comporte un col (3) et un divergent (2), est pourvue d'un orifice latéral qui fait communiquer l'intérieur du col (3) avec un espace annulaire (6) relié à une arrivée d'oxygène (A,).
Le divergent peut comporter une partie tronconique (19, 34) qui peut être prolongée par une surface de révolution (39) dont la génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.
Cette buse s'applique en particulier à la décarburation des fontes au chrome.

Description

  • La buse d'injection d'oxygène, qui fait l'objet de l'invention, constitue un perfectionnement de celle décrite dans le brevet français n° 2'489 368.
  • De même que la buse décrite dans ce brevet, la buse qui fait l'objet de l'invention concerne la décarburation des fontes au moyen de lances disposées au-dessus du niveau d'un bain de fonte liquide qui émettent, à travers une buse, un jet d'oxygène en direction de la surface de cette fonte.
  • L'invention concerne plus particulièrement la décarburation de grands volumes de fonte liquide au moyen de lances d'injection d'oxygène équipées de la buse suivant l'invention.
  • L'invention concerne tout spécialement la décarburation de la fonte au chrome à l'échelle industrielle.
  • La buse pour la décarburation des fontes à jet d'oxygène supersonique qui est décrite dans le brevet FR. 2 489 368 a pour caractéristique essentielle un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70° et, de préférence,entre 62 et 66°. Le divergent peut comporter, au-delà de la partie tronconique, une surface de révolution autour du même axe, dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur. Cette buse a donné des résultats particulièrement favorables pour la décarburation des fontes au chrome en appliquant le procédé décrit dans le brevet FR. 2 474 531. Grâce à sa forme particulière, elle permet de provoquer l'émulsion de la fonte au chrome liquide par l'action du jet d'oxygène et par la formation de C0 dans des conditions qui conduisent à l'obtention de rendements très élevés en Fe et Cr.
  • Cependant, les essais de la buse décrite dans le FR. 2 489 368 étaient effectués pour l'essentiel sur des quantités de fonte au chrome limitées à environ 60 kg par opération.
  • Lorsque l'extrapolation de ces essais est entreprise à une échelle industrielle, en opérant sur des quantités unitaires de fonte au chrome de plusieurs tonnes, des résultats tout à fait positifs sont obtenus, mais certaines difficultés sont cependant rencontrées.
  • L'une des difficultés les plus sérieuses est la formation de dépôts solides sur les parois internes de la buse, surtout vers son extrémité. Ces dépôts sont constitués par des projections d'oxydes métalliques ou même de métal à partir du bain métallique fondu. Ils ont pour effet de modifier la répartition du jet d'oxygène, de le dévier partiellement,et donc de déstabiliser les conditions opératoires. En particulier, la montée en température du bain métallique est moins rapide et, dans certains cas, on n'arrive pas à atteindre la température d'environ 1700 à 1800°C qui est nécessaire pour former entre la phase gazeuse et la fonte au chrome liquide l'émulsion au sein de laquelle la décarburation directe de la fonte permet d'abaisser rapidement la teneur en carbone au-dessous de 0,3 %.
  • Par ailleurs, même lorsque l'émulsion se forme dans des conditions apparemment satisfaisantes, on n'obtient pas toujours les rendements élevés en Fe et surtout en Cr qui constituent l'une des caractéristiques essentielles de ce procédé de décarburation.
  • On a donc recherché la possibilité de réaliser une buse d'injection d'oxygène à jet supersonique pour la décarburation des fontes, qui fonctionne de façon parfaitement stable pendant toute la durée d'une opération et qui permet de décarburer des quantités industrielles de fonte et, en particulier, de fonte au chrome. On a de plus recherché la possibilité d'utiliser une telle buse pour injecter, non seulement de l'oxygène, mais éventuellement, de façon simultanée ou non avec l'injection d'oxygène, un autre fluide, liquide ou gazeux, ou encore un solide pulvérulent ou granulaire.
  • La buse qui fait l'objet de l'invention comporte, comme celle qui fait l'objet du FR. 2 489 368, un divergent. Ce divergent comporte de préférence au moins une partie tronconique d'angle au sommet compris entre 60 et 70° ; la paroi du col de cette buse comporte au moins un orifice latéral qui fait communiquer l'intérieur du col avec un espace annulaire qui l'entoure, qui est relié à une arrivée d'oxygène de façon qu'une partie au moins de l'oxygène qui alimente la buse pénètre à l'intérieur du col à travers cet orifice latéral. La partie tronconique du divergent peut être prolongée par une surface de révolution dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.
  • De préférence, au moins un moyen de déviation du courant d'oxygène qui pénètre à l'intérieur du col par l'orifice latéral permet de donner une composante tangentielle à sa direction de déplacement, ce qui provoque un mouvement de rotation de ce courant autour de l'axe de la buse.
  • Un tel moyen de déviation peut comporter au moins une cloison radiale inclinée par rapport aux génératrices du col, logée dans l'espace annulaire qui entoure le col, de façon à communiquer à l'oxygène qui parcourt cet espace annulaire un mouvement de rotation autour de l'axe de la buse avant de pénétrer à l'intérieur de ce col par l'orifice latéral. On peut, en particulier, utiliser au moins une cloison disposée en hélice autour du col à la façon d'un pas de vis. L'orifice latéral est de préférence annulaire ; il peut éventuellement comporter lui-même un moyen de déviation constitué par des cloisons permettant d'améliorer la répartition de l'arrivée d'oxygène à l'intérieur du col, tout autour de l'axe de la buse, et orientées de façon à contribuer à donner aux filets d'oxygène qui passent entre ces cloisons une direction de déplacement comportant une composante tangentielle.
  • La buse comporte avantageusement une deuxième arrivée d'oxygène par un passage axial disposé dans le prolongement du col. On règle de préférence les débits d'oxygène de façon que au moins 50 % de l'oxygène pénètre dans le col par l'orifice latéral.
  • On peut aussi introduire l'oxygène dans le col uniquement par l'orifice latéral. On peut enfin utiliser le passage axial pour introduire un fluide autre que l'oxygène, tel qu'un hydrocarbure, ou encore un solide en poudre ou en grains tel qu'une matière carbonée, un métal, un oxyde métallique ou autre.
  • Les figures et l'exemple ci-après décrivent de façon non limitative les caractéristiques de la buse d'injection d'oxygène à jet supersonique stabilisé pour la décarburation des fontes, qui fait l'objet de l'invention :
    • Figure 1 : buse pour la décarburation des fontes, à jet d'oxygène supersonique stabilisé et divergent tronconique suivant 1'invention ;
    • Figure 2 : buse suivant l'invention comportant une cloison hélicoi- dale disposée dans l'espace annulaire qui entoure le col, pour mise en rotation du courant d'oxygène, avant pénétration à l'intérieur du col par l'orifice latéral ;
    • Figure 3 : buse suivant-1'invention à divergent tronconique, prolongé par une surface de révolution dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.
  • La figure 1 représente une buse à jet d'oxygène supersonique suivant l'invention à divergent tronconique. Cette buse (1) d'axe X1X2 comporte un divergent tronconique (2) dont l'axe est celui de la buse et dont l'angle au sommet (a) est compris entre 60 et 70°. Dans le cas de la figure, cet angle est d'environ 65°. Elle est alimentée par deux arrivées d.'oxygène A1 et A2, qui sont reliées chacune à une source d'oxygène.dont la pression est suffisante pour permettre d'obtenir un jet supersonique.
  • Le col (3) de la buse est constitué par un tube cylindrique dont l'axe est celui de la buse et à l'intérieur duquel débouche un orifice latéral annulaire (4) ménagé au voisinage de la circonférence de raccordement (5) entre l'extrémité aval de la paroi interne du col (3) et le divergent (2). Un espace annulaire (6) qui entoure le col de façon sensiblement coaxiale est raccordé à l'arrivée d'oxygène (A1).
  • Ce courant d'oxygène parcourt cet espace annulaire (6) et pénètre dans le col par l'orifice latéral annulaire (4). Au passage à travers cet orifice, le courant d'oxygène se déplace de façon sensiblement transversale par rapport à l'axe X1X2 de la buse. Dès sa pénétration dans le col, il est dévié en direction de la sortie du col, puis traverse le divergent (2). Les surfaces annulaires (7) et (8) qui constituent les lèvres de l'orifice latéral annulaire (4), peuvent être soit des plans perpendiculaires à l'axe X1X2, soit présenter une inclinaison permettant de donner aux filets d'oxygène une direction qui n'est pas contenue dans un plan perpendiculaire à l'axe X1X2, mais qui est plus ou moins inclinée par rapport à cet axe. L'extrémité amont du col (3) de la buse est reliée a une chambre (9) qui est elle-même raccordée à l'arrivée d'oxygène(A2).Le courant d'oxygène provenant de (A2) parcourt donc l'intérieur (10) du col (3), parallèlement à l'axe X1X2, puis rencontre le courant d'oxygène provenant de (A1). L'ensemble des deux courants pénètre ensuite dans le divergent (2) et le traverse.
  • Enfin, la buse comporte, de façon connue, des moyens de refroidissement par circulation d'eau à travers des espaces annulaires (14) et (15) qui entourent de façon sensiblement coaxiale l'ensemble formé par le col (3) et la paroi extérieure (11) de l'espace annulaire (6). Cette eau, ou tout autre fluide de refroidissement, pénètre en (B1) et ressort en (B2) après avoir parcouru l'espace compris entre la paroi (11), le divergent (2) et la paroi extérieure (12) de la buse. Cet espace comporte une cloison annulaire (13) qui oblige l'eau entrée en (B1) à descendre dans l'intervalle (14) compris entre cette cloison (13) et la cloison (11) de façon à venir au contact de la paroi (2) du divergent avant de remonter dans l'intervalle (15) compris entre la paroi extérieure (12) de la buse et la cloison (13), puis à sortir en (B2). Une telle buse permet d'améliorer de façon très sensible le rendement en chrome, lorsqu'on l'utilise dans le procédé de décarburation des fontes au chrome décrit dans le FR. 2 474 531.
  • En utilisant en particulier cette buse pour la décarburation des fontes au chrome au moyen de petits fours d'essai, contenant environ 60 kg de fonte liquide, on atteint des rendements en chrome proches de 99 %. Pour cela, on introduit par exemple environ 70 à 90 % de l'oxygène par l'entrée (A1) de façon à le faire pénétrer à l'intérieur du col (3) par l'orifice latéral annulaire (4), tandis que le reste est introduit par l'entrée (A2) et parcourt l'espace intérieur (10) du col (3) parallèlement à l'axe X1X2 avant de rencontrer le jet transversal d'oxygène provenant de l'orifice latéral annulaire (4).
  • S'il est relativement facile de réaliser des jets d'oxygène supersoniques ayant les caractéristiques souhaitées au moyen de buses suivant l'invention de petites dimensions, comportant par exemple un diamètre au col d'environ 2 mm, il est plus difficile d'obtenir de très bonnes performances dans le cas de l'application du procédé à des fours contenant plusieurs tonnes de fonte. On peut alors, de façon particulièrement avantageuse, apporter deux perfectionnements importants à 1a buse suivant l'invention.
  • Un premier perfectionnement consiste à communiquer au courant d'oxygène issu de (A1), qui pénètre à l'intérieur du col (3) par l'orifice latéral, une direction de déplacement comportant une composante tangentielle qui provoque un mouvement de rotation de ce courant autour de l'axe X1X2.
  • Différents moyens de déviation de ce courant d'oxygène permettant de donner une composante tangentielle à sa direction de déplacement lorsqu'il pénètre à l'intérieur du col peuvent être utilisés.
  • On voit figure 2 un moyen simple et avantageux de réalisation de cette mise en rotation. Cette figure représente de façon partielle une buse (16) pourvue d'un col (17) qui comporte, au voisinage de la circonférence de raccordement (18) de sa paroi interne avec le divergent tronconique (19), un orifice latéral annulaire (20). Les surfaces annulaires (22 et 23) forment les bords de l'orifice latéral (20) et se trouvent dans des plans perpendiculaires à l'axe X3X4. L'espace annulaire (21) est relié, de façon non représentée, par son extrémité supérieure, avec une arrivée d'oxygène. Afin de communiquer à l'oxygène qui parcourt cet espace (21) un mouvement de rotation autour de l'axe X3X4 de la buse, on dispose dans cet espace une cloison hé- licoidale (24) qui, dans le cas de la figure, est solidarisée par son bord intérieur avec la paroi extérieure du col (17).
  • Il n'est pas nécessaire que le bord extérieur (25) de la cloison soit solidarisé avec la paroi intérieure de la cloison annulaire (26). Le mouvement de rotation ainsi communiqué au jet d'oxygène lui permet, après son passage à travers l'orifice latéral annulaire (20), au moment de sa détente à travers le divergent (19), de longer les parois de celui-ci et de faire ainsi obstacle au dépôt de métal ou d'oxydes métalliques ou autres, en provenance du bain de fonte,sur ces parois. Un autre moyen de mise en rotation du jet d'oxygène pour obtenir un tel mouvement de rotation à la sortie de l'orifice latéral annulaire consiste à munir cet orifice de cloisons qui ne sont pas radiales, mais déviées transversalement par rapport à la direction radiale, de façon à donner au courant d'oxygène qui passe à travers cet orifice une direction de déplacement de l'extérieur vers l'intérieur comportant une composante tangentielle. Un même résultat peut être obtenu en remplaçant l'orifice latéral annulaire par une série de perçages latéraux effectués tout autour du col, orientés de façon que leur axe ne soit pas radial, mais toujours incliné d'un certain angle par rapport au rayon dans le plan perpendiculaire à l'axe X3X4, de façon à donner à la direction de déplacement des filets d'oxygène une composante tangentielle qui les mette en rotation autour de l'axe X3X4. On peut également orienter les axes de ces trous de façon qu'ils ne se trouvent pas contenus dans un plan perpendiculaire à l'axe X3X4, mais inclinés de préférence vers le bas afin de donner au déplacement des filets d'oxygène une composante parallèle à l'axe X3X4 qui permet ainsi d'influer sur la vitesse du jet supersonique. Le même résultat peut être obtenu, comme cela a déjà été dit plus haut dans le cas de la figure 1, au moyen d'un orifice latéral annulaire unique dont les bords ne sont pas plans mais inclinés par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe X3X4.
  • La buse représentée figure 2 comporte, comme celle de la figure 1, un refroidissement par eau à travers les espaces annulaires (27 et 28), séparés par la cloison (29), qui entourent le col (17), l'espace annulaire (21) et le divergent (19).
  • L'utilisation de la buse suivant l'invention permet d'éviter la formation de dépôts solides sur les parois internes (19) de la buse, provenant de projections à partir de la surface du bain métallique fondu. On constate que ce résultat est dû au fait que le jet d'oxygène épouse les parois (19) de la buse, les veines d'oxygène longeant ces parois ayant une vitesse suffisamment grande pour empêcher l'impact sur ces parois (19) des particules solides ou liquides projetées de bas en haut à partir du bain métallique.
  • Le dispositif suivant l'invention favorise aussi la post-combustion du CO qui se dégage du bain métallique. En effet, une fraction de l'oxygène injecté à travers la buse s'éloigne rapidement de l'axe du jet supersonique et réagit sur le CO déjà formé qui est oxydé en C02. Ce phénomène de post-combustion permet une montée en température plus rapide du bain métallique dès la première phase de la décarburation et,donc, une atteinte plus rapide du point de déclenchement de l'émulsion gaz/forte liquide. Toutes choses égales par ailleurs, la température finale de la fonte liquide après décarburation est supérieure de 100°C quand on utilise la buse à jet d'oxygène supersonique stabilisé suivant l'invention au lieu d'une buse à jet d'oxygène supersonique non stabilisé.
  • On peut mettre à profit le bilan thermique excédentaire ainsi obtenu pour ajouter dans la fonte liquide, en cours d'opération, une certaine quantité de déchets solides de fonte et/ou d'acier sous des formes diverses telles que chutes de tôles, tournures d'usinage, masselottes de coulée, etc... Ces additions peuvent être effectuées de façon progressive soit au cours de la première phase de montée en température de la fonte liquide, soit au cours de la phase de formation puis de maintien de l'émulsion, soit encore éventuellement après décarburation pour abaisser la température du bain métallique avant coulée.
  • Lorsque les dimensions de la buse suivant l'invention deviennent particulièrement importantes, dans le but de traiter de grandes quantités de fonte au chrome,ou encore de fonte non alliée- ou peu alliée, il est avantageux d'apporter à la buse suivant l'invention un deuxième perfectionnement qui consiste à la munir d'un divergent comportant au-delà d'une partie tronconique une surface de révolution autour du même axe dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.
  • On voit figure 3 la zone d'extrémité d'une telle buse. Cette buse (31), comme la buse (16), est pourvue d'un col (32) dont la paroi interne se raccordé à son extrémité inférieure (33) à la partie tronconique (34) du divergent. L'arrivée d'oxygène a lieu, d'une part, le long du col (32) parallèlement à l'axe X5X6 de la buse et, d'autre part, à travers l'orifice latéral annulaire (35) en provenance de l'espace annulaire (36) ; une cloison hélicoïdale (37)'donne au courant d'oxygène qui parcourt l'espace annulaire un mouvement de rotation avant que ce courant traverse l'orifice (35). La partie tronconique (34) du divergent de 65° d'angle au sommet se raccorde par son extrémité évasée (38) avec une surface de révolution (39) qui présente le même axe X5X6 que la partie tronconique (34). Cette surface de révolution (39) présente une concavité orientée vers l'intérieur de façon que l'angle que fait la tangente à la génératrice par rapport à l'axe X5X6 aille en décroissant depuis la zone de raccordement (38) avec la partie tronconique (34) jusqu'au bord extérieur (40) du divergent. Dans le cas de la figure, la surface (39) est sensiblement parabolique.
  • La buse à jet d'oxygène supersonique suivant l'invention, présentant les caractéristiques de la buse (31), convient pour la décarburation de grosses quantités de fonte au chrome par le procédé décrit dans le FR. 2 474 531. Cette buse convient aussi pour le traitement d'autres types de fontes telles que des fontes peu alliées ou non alliées.
  • En donnant une extension plus ou moins grande à la surface concave (39) qui prolonge la partie tronconique (34), et en contrôlant sa courbure, on peut contrôler la post-combustion et optimiser les conditions d'utilisation de l'oxygène en fonction des caractéristiques des fontes qu'il s'agit de décarburer.
  • L'exemple ci-après décrit un mode de mise en oeuvre de la buse suivant l'invention dans le cas de la décarburation d`une fonte au chrome.
  • On utilise une buse suivant l'invention telle que la buse (16) représentée à la figure 2. Cette buse comporte un col (17) constitué par un tube cylindrique de 20 mm diamètre intérieur. A son extrémité aval, ce col se raccorde à un divergent (19) constitué par un tronc de cône de 65° d'angle au sommet et de 40 mm de hauteur. Un orifice latéral annulaire (20) permet la pénétration de l'oxygène à 1`intérieur du col à partir de l'espace annulaire (21).
  • Les surfaces annulaires (22 et 23) qui forment les parois de l'orifice latéral (20) sont dans des plans perpendiculaires à l'axe X3X4, distants l'un de l'autre de 7 mm. Le plan de la surface (22) est à une distance d'environ 10 mm de la circonférence de raccordement (18) de la paroi interne du col (17) avec le divergent tronconique (19). Cette buse comporte une cloison hélicoïdale (24) disposée dans l'espace annulaire (21). Elle est fixée à l'extrémité d'une lance non représentée qui l'alimente en oxygène au moyen de deux canalisations, l'une reliée à l'extrémité amont du coi, l'autre reliée à l'espace annulaire (21). Des moyens de réglage permettent d'ajuster le débit d'oxygène à travers chacune de ces canalisations. Enfin, des canalisations d'arrivée et de départ d'eau, qui parcourent également la lance, permettent de faire circuler l'eau à travers les espaces annulaires (27 et 28) qui entourent le col (17), l'espace annulaire (21) et le divergent (19).
  • On utilise cette buse pour décarburer une masse de 4,2 t de fonte au chrome liquide dont la température initiale est de 1345`C, contenue dans un convertisseur d'environ 1,4 m de diamètre intérieur. La lance à l'extrémité de laquelle est fixée la buse, est disposée de façon que l'axe X3X4 de la buse soit sensiblement vertical, le bord extérieur (30) du divergent (19) se trouvant à une distance de la surface de la fonte liquide de 210 mm. Cette fonte a la composition initiale suivante en % en masse :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
  • Reste Fe et impuretés habituelles. L'alimentation en oxygène est effectuée à partir d'un réseau sous une pression de 10 bars ; le débit total est de 13,6 Nm3/min. Une fraction égale à 20 %,de ce débit est introduite à l'extrémité amont du col et traverse celui-ci parallèlement à l'axe X3X4"
  • Le reste, soit 80 %,est introduit dans l'espace annulaire (21) et pénètre dans le col par l'orifice latéral annulaire (20). On réalise ainsi un jet d'oxygène supersonique stabilisé suivant l'invention. La fonte liquide est initialement recouverte d'environ 40 kg d'un laitier à base de CaO.
  • Après 11 minutes 20 secondes de fonctionnement de la buse, la température de la fonte liquide atteint 17C0°C et la teneur en carbone 2,6 %. La petite quantité de laitier initialement présente a été expulsée sur les bords du convertisseur et le jet d'oxygène supersonique frappe directement la fonte liquide. On observe alors la formation d'une émulsion gaz/fonte liquide et le niveau de la fonte ainsi émulsionnée s'élève d'environ 700 mm, et dépasse donc largement le niveau de la buse.'
  • On continue d'alimenter la buse en oxygène pendant encore 5 minutes puis on arrête l'alimentation. La température du bain de fonte liquide est alors de 1800°C environ et la teneur en carbone est de 0,2 %. On effectue ensuite de façon connue le traitement sous vide de cette fonte liquide ainsi décarburée afin d'abaisser la teneur en carbone jusqu'à une teneur finale d'environ 0,04 %.
  • A ce stade, les analyses montrent qu'on retrouve dans l'acier ainsi décarburé plus de 98 % du chrome contenu dans la fonte de départ. On constate, par ailleurs, que, au cours de l'utilisation de la buse, il ne se forme pas de dépôts solides importants sur les parois (19) du divergent et non plus sur le bord extérieur (30) de ce divergent.
  • Comme cela a été dit précédemment, il peut être avantageux pour le traitement de grandes quantités de fonte d'utiliser, à la place de la buse à divergent tronconique de la figure 2, une buse telle que celle représentée à la figure 3 qui comporte au-delà d'une partie tronconique une surface de révolution de même axe dont la courbe génératrice présente une concavité tournée vers l'intérieur.
  • De nombreuses modifications peuvent être apportées à la buse suivant l'invention. On remarque que, dans le cas de l'exemple, la section de l'orifice latéral est d'environ 440 mm2 tandis que celle du col est de 314 mm2 .Dans la pratique, on maintient de préférence le rapport des sections entre orifice latéral et col entre 1,2 et 1,6.
  • De même, la répartition du débit total d'oxygène entre l'arrivée axiale le long du col de la buse et l'arrivée par l'orifice latéral peut varier dans de larges proportions. L'expérience montre que la quantité d'oxygène introduite à travers l'orifice latéral est de préférence supérieure à 50 % du débit total. On peut, en particulier, effectuer l'alimentation en oxygène uniquement à travers l'orifice latéral en supprimant l'arrivée axiale.
  • Bien que les buses à jet d'oxygène supersonique stabilisé suivant l'invention donnent des résultats particulièrement favorables lorsque leur divergent est constitué par un tronc de cône de 60 à 70° d'angle au sommet, il est possible également de réaliser des buses suivant l'invention dont le divergent présente des caractéristiques sensiblement différentes.
  • Par ailleurs, dans certains cas, on peut utiliser le passage axial à travers le col pour introduire dans la fonte liquide des fluides autres que de l'oxygène, tels que des gaz neutres ou réactifs, des liquides, ou encore des matières solides de préférence pulvérulentes ou granulaires. Les matières solides peuvent éventuellement être entraînées à travers la buse au moyen d'un courant d'oxygène ou d'un autre fluide. On peut ainsi envisager d'introduire à travers la buse suivant l'invention des éléments ou des composés de traitement du bain de fonte ou encore des éléments d'addition permettant de modifier la composition de cette fonte.
  • De très nombreuses modifications peuvent être apportées à la buse qui fait l'objet de l'invention, qui ne sortent pas du domaine de cette invention.

Claims (13)

1°) Buse pour la décarburation des fontes par jet d'oxygène supersonique, comportant un col et un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70°, caractérisée en ce que la paroi du col (3) de cette buse est pourvue d'au moins un orifice latéral (4) qui fait communiquer l'intérieur (10) du col (3) avec un espace annulaire (6) qui est relié à une arrivée d'oxygène (11).
2°) Buse suivant revendication 1, caractérisée en ce que au moins 50 % de l'oxygène qui alimente la buse passe par l'orifice latéral.
3°) Buse suivant revendication 1, caractérisée en ce que 70 à 100 % de l'oxygène qui alimente la buse passe par l'orifice latéral.
4°) Buse suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième arrivée d'oxygène (A2) par un passage axial (9) disposé dans le prolongement du col.
5°) Buse suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie tronconique (34) du divergent est prolongée par une surface de révolution (39) dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.
6°) Buse suivant revendication 5, caractérisée en ce que la surface de révolution est parabolique.
7°) Buse suivant 1`une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que au moins un moyen de déviation du courant d'oxygène, qui pénètre dans le col à travers l'orifice latéral, est disposé de façon à donner une composante tangentielle à la direction de déplacement de ce courant d'oxygène par rapport à l'axe de la buse.
8°) Buse suivant revendication 7, caractérisée en ce que un moyen de déviation du courant d'oxygène est constitué par au moins une cloison radiale (24) inclinée par rapport aux génératrices du col, placée dans l'espace qui entoure le col.
9°/ - Buse suivant revendication 8, caractérisée en ce que la cloison radiale est une cloison hélicoïdale (24) (37).
10°/ - Buse suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que un moyen de déviation est constitué par des cloisons disposées à l'intérieur de l'orifice latéral qui sont déviées transversalement par rapport à la direction radiale.
11°/ - Buse suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que un moyen de déviation comporte une série de perçages latéraux effectués autour du col dont l'ensemble constitue l'orifice latéral et dont les axes ne sont pas radiaux mais inclinés par rapport aux rayons issus de l'axe de la buse.
12°/ - Application de la buse suivant l'une des revendications 1 à 11 à la décarburation des fontes au chrome.
13°/ - Application de la buse suivant l'une des revendications 1 à 11 à la décarburation des fontes non alliées ou peu alliées.
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Inventor name: MARIZY, GEORGES