EP0125198B1

EP0125198B1 - Dispositif d'accélération de particules solides

Info

Publication number: EP0125198B1
Application number: EP84630036A
Authority: EP
Inventors: François Schleimer; Clement Burton; André Bock; Jean Peckels
Original assignee: Arbed SA
Current assignee: Arcelor Luxembourg SA
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1988-02-17
Also published as: PT78225B; FI74735B; CA1234488A; AU566789B2; AU2544984A; FI840840A; KR840007898A; ES8600416A1; BR8401037A; NO840915L; ES530476A0; FI74735C; EP0125198A1; DE3469371D1; ZA841306B; JPS59177311A; PT78225A; LU84686A1; IN162131B; US4603810A

Description

La présente invention concerne un dispositif d'accélération de particules solides par l'intermédiaire d'un gaz. De tels dispositifs peuvent en particulier être employés pour recarburer des bains d'acier en voie d'affinage.
Le taux de mitrailles ou autres ajoutes refroi- dissantes qu'on arrive à incorporer à un métal en voie d'affinage dans le cadre des procédés LD, LBE et autres, dépend principalement de la composition de la fonte, de la température de la charge et du déroulement thermodynamique de l'opération d'affinage. La consommation de mitrailles par tonne de fonte liquide se situe couramment vers 300 kg lors de la conversion de fonte pauvre et vers 400 kg pour une fonte phosphoreuse. Pour réduire le prix de revient de l'acier, il faut dépasser ces taux d'ajoutes. Une des méthodes connues consiste à augmenter le taux de post-combustion du CO se dégageant du bain, tout en veillant à ce que le bain absorbe un maximum de la chaleur libérée. Une autre méthode consiste à chauffer le bain métallique en utilisant des sources d'énergie supplémentaire. Des techniques d'addition de gaz et de combustible liquide sont mises en oeuvre avec des succès variés. Pareillement des techniques d'addition de matière combustible sous forme de granules de matière carbonée ont été développées. L'incorporation de matières solides dans le bain peut se faire par le bas, à travers des tuyères ou des éléments perméables logés dans le fond du convertisseur, ou par le haut conjointement avec des matières gazeuses. Ces additions se font, parfois avant le soufflage, parfois après une première phase de soufflage d'oxygène.
La demanderesse a décrit dans sa demande de brevet LU 84444 un système d'alimentation en matières solides d'une lance de soufflage servant à approvisionner un bain métallique en combustible. L'installation utilisée comporte au moins une source de gaz comprimé, un circuit fournisseur de matière carbonée en suspension dans un gaz, au moins un circuit fournisseur de gaz de balayage, des moyens de dosage des différents débits de gaz et de matière carbonée et des moyens pour brancher séparément ou conjointement lesdits circuits sur un conduit aboutissant à la lance. On sait que pour avoir une bonne absorption de la matière carbonée par le bain, il faut que celui-ci présente non seulement des concentrations en oxygène et en carbone bien déterminées, mais qu'il faut en plus que la matière carbonée ait une énergie cinétique suffisante à la sortie de la lance pour pénétrer dans le bain. Cette énergie cinétique élevée, qui est également requise pour éviter une combustion prématurée de la matière carbonée au-dessus du bain, est obtenue à l'aide d'un flux puissant de gaz.
Pour augmenter l'énergie cinétique impartie aux particules solides, il est connu de munir l'embouchure de la lance de soufflage d'un convergent-divergent de faible longueur (voir par exemple le brevet GB-A-911 545; Fig. 1). Malheureusement cet artifice n'entraîne qu'une faible augmentation de la vitesse des particules et le jet à la sortie de la lance devient fortement divergent. De plus, on a observé que les convergents courts s'usent rapidement et créent des pulsations qui provoquent un éclatement et un ralentissement du jet en aval de l'embouchure.
Il est également connu (voir par exemple le brevet BG-A-911 545; Fig. 2) d'employer de longs (plusieurs mètres) divergents, ayant un angle de divergence constant. Les résultats sont plus probants que pour le convergent-divergent de faible longueur. Un tel divergent ne permet cependant pas d'ajuster la décroissance de la pression du gaz de manière à obtenir une accélération contrôlée du gaz et par suite des particules. Des essais ont montré, qu'à l'instar de la lance à section constante, on obtient également dans ce cas une accélération exponentielle du gaz vers l'embouchure. Une telle accélération du gaz ne peut cependant pas être transmise sur faible distance aux particules solides. Une augmentation de la longueur de la lance entraîne une variation de la pression du gaz au début du divergent plus faible, de sorte qu'il faut des longueurs de lance prohibitives (voir également le point 2 plus loin) pour obtenir une vitesse des particules qui se rapproche de celle du gaz porteur. Dans ce cas on ne peut néanmoins pas éviter une accélération prononcée du gaz vers l'embouchure de la lance, accélération qui ne peut être impartie aux particules solides. De plus, pour limiter la section de la lance à l'embouchure et la longueur totale du dispositif on est amené à prévoir un convergent court en amont du divergent. Or, comme exposé plus haut, un tel convergent crée des turbulences qui ont un effet néfaste sur la dynamique du jet. En outre, étant donné la faible vitesse des particules à cet endroit, il y a risque de bouchage.
D'après le document FR-A-2240293 il est connu de réaliser des tuyères comportant un convergent, une gorge et un divergent de manière que la zone divergente présente une forme concave, qui se raccorde à la gorge présentant un profil substantiellement convexe.
Lors de la construction et de l'implantation d'un dispositif servant à introduire de la matière carbonée dans un bain métallique, il faut en général tenir compte d'équipements existants, tel que la source de gaz profitée par d'autres installations. La longueur des conduits est tributaire de l'emplacement du doseur alvéolaire et du chariot porte-lance. De plus, les têtes de lance tout comme les chariots porte-lance ne permettent pas de dépasser certains diamètres des conduits pour des raisons de dimensionnement resp. de poids.
En ce qui concerne la granulométrie du charbon, notons que des grains trop fins ont tendance à coller ensemble. Des expériences ont montré que leur énergie cinétique à la sortie de la lance est faible. D'un autre côté les grains trop gros ont une grande inertie, et le gaz n'arrive pas non plus à les accélérer sur distance réduite à la vitesse désirée. La dimension tout comme la structure des grains est également d'une importance capitale en ce qui concerne les problèmes d'abrasion des conduits. La qualité de la matière carbonée et l'influence des impuretés sur la combustion sur le bain (humidité, matières volatiles) ainsi que leur influence sur la charge métallique (soufre) sont des facteurs tout aussi importants.
L'invention a comme but de proposer un dispositif d'accélération qui résout les problèmes exposés plus haut et qui est d'un côté capable de fournir à sa sortie un jet de matière granulée concentré, ayant une vitesse aussi élevée que possible et qui d'un autre côté est susceptible de s'intégrer facilement dans des installations existantes.
Ce but est atteint par le dispositif selon l'invention tel qu'il est caractérisé dans la revendication 1. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.
L'idée à la base de l'invention découle d'essais effectués sur des lances de dimensions variées, alimentées par des pressions de gaz et des mélanges gaz/particules solides variés et tendant à ajuster la décroissance de la pression du gaz dans le conduit de sorte à avoir une vitesse maximale des particules à la sortie du conduit. Pour utiliser toute l'énergie potentielle du gaz (et pour éviter en même temps un éclatement du jet de particules solides) il faut que la pression statique du mélange gaz/particules se rapproche, à l'embouchure de la lance, de la pression atmosphérique (10⁵Pa). Si la pression en bout de la lance devient inférieure à 10⁵Pa, le conduit se bouche; si elle devient nettement supérieure, le jet de particules se disperse en sortant de la lance et l'effet d'impact diminue. D'un autre côté, les forces provoquant l'accélération des particules solides dépendent de la vitesse relative entre le gaz porteur et les particules; les particules solides peuvent atteindre au plus une vitesse égale à celle du gaz. On devrait donc à priori choisir une vitesse du gaz aussi élevée que possible. Or, des calculs ont montré que la création locale de vitesses supersoniques à l'embouchure de la lance exigerait des débits de gaz trop élevés surchargeant les réseaux gazeux dont on dispose en pratique.
En vue de communiquer avec un rendement acceptable une vitesse maximale aux particules solides à la sortie de la tubulure, il faudra par conséquent essayer d'atteindre une vitesse sonique du gaz près de l'embouchure de la tuyère. De même, pour avoir un jet de matières carbonées aussi fin que possible à la sortie de la lance, il faut que la pression statique du jet à la sortie de la lance soit proche de la pression atmosphérique. Ces deux critères ont été respectés dans les trois séries d'essais exposés par la suite, dont la première portait sur des conduits à section constante, la deuxième sur des conduits dont la section augmentait continûment et la troisième sur des conduits selon l'invention.
1) Les essais ont confirmé des calculs théoriques basés sur une détente isothermique du gaz, qui montraient que pour une pression et un débit nominal de source de gaz d'un diamètre de conduit donnés, il faut choisir un conduit d'autant plus court que l'on désire un débit nominal de charbon plus élevé et que plus le conduit est court plus la différence entre les vitesses du gaz et des particules à l'embouchure de la lance est importante. En plus il est apparu que pour respecter les critères exposés plus haut, il faut prévoir des longueurs de conduit prohibitives comme illustré par l'exemple suivant:
On dispose d'une source capable de fournir 2300 Nm³/h de gaz sous une pression 1,6x106Pa. Pour avoir un débit de gaz de 2300 Nm³/h lorsque le gaz sort du conduit à une vitesse proche de celle du son, il faut prévoir un diamètre du conduit d'environ 50 mm. La densité du charbon est de 867 kg/m3, la granulométrie moyenne est de 5mm.

- Un débit de charbon optimal de 400 kg/min conduit dans ces conditions à une vitesse de particules de charbon de quelqued 120 m/s et exige une longueur de conduit de 60 m.
- Un débit de charbon optimal de 300 kg/min conduit à une vitesse des particules de charbon de quelque 140 m/s pour une longueur de conduit de 90 m.

On constate qu'il y a un écart substantiel entre les vitesses du gaz (quelque 320 m/s) et des particules à l'embouchure de la lance et que les longueurs de conduit à prévoir deviennent importantes lorsqu'on désire des vitesses de particules élevées.
2) Dans une deuxième phase de ses travaux, la demanderesse a essayé de diminuer l'écart entre les vitesses du gaz et des particules à l'embouchure de la lance sans utiliser de conduits de longueur excessive. Des mesures et une étude des vitesses et des pressions sur une dizaine de mètres du conduit en amont de l'embouchure montrent que dans cette partie du conduit la pression du gaz chute d'environ du tiers de sa valeur nominale jusqu'à la pression atmosphérique, que la vitesse du gaz augmente de façon quasi-exponentielle alors que la vitesse des particules ne fait que doubler. En se plaçant dans les conditions de l'exemple précédent on peut en effet observer

- pour une longueur totale du conduit de 60 m (débit de charbon 400 kg/min) les vitesses du gaz et des particules valent respectivement 85 m/s et 70 m/s après une distance de parcours de quelques 50 m
- pour une longueur totale de conduit de 90 m (débit de charbon 300 kg/min) les vitesses du gaz et des particules valent respectivement 80 m/s et 65 m/s après une distance de 80 m.

Pour obtenir une augmentation moins brusque de la vitesse du gaz sur les derniers mètres du conduit, vitesse qui ne peut être transmise aux particules solides, la demanderesse a fait des essais sur un conduit ayant à l'embouchure une section identique (50 mm de diamètre) à celle employée dans les essais décrits plus haut, mais présentant un évasement continu depuis un étranglement (convergent réduisant le diamètre à 2,8 cm) qui se trouvait une dizaine de mètres en amont de l'embouchure. La perte de charge provoquée par l'étranglement était compensée par une augmentation de la pression de source à 2,5x 10⁶Pa. Relativement à un conduit de section uniforme alimenté sous une pression de 2,5x10⁶Pa, l'augmentation de la vitesse des particules était de 60% (débit de charbon 300 kg/min et longueur des conduits 50 m dans les deux cas). Dans le but d'éviter un étranglement, qui était le siège d'une très forte usure et imposait une diminution du débit de charbon, la demanderesse a utilisé ensuite un conduit qui s'évasait en continu sur quelque vingt mètres depuis la section normale de conduit (diamètre égal à 5 cm) jusqu'à l'embouchure (diamètre égal à 8cm). Pour conserver une pression proche de la pression atmosphérique près de l'embouchure, le débit de gaz doit être au moins doublé par rapport au débit utilisé pour un conduit ayant un diamètre constant de 5 cm. Dans ce cas on observait une augmentation de la vitesse des particules de 60% relativement à celle observé pour un conduit à section constante. (Pression de source 2x10⁶Pa, débit de charbon 500 kg/min; longueur du conduit 50 m.)
3) Une fois que l'effet favorable d'une section variable sur la vitesse finale des particules solides était bien établi, des essais employant des conduits ayant diverses variations de section ont été effectués. Sur les fig. 1 et 2 on distingue deux exemples de coupes longitudinales (A10, A11 resp. A20, A21) de conduits à section circulaire dont les variations de diamètre ne sont plus pro- portionelles à la longueur, ainsi que les variations de la vitesse du gaz (U1 resp. U2), des particules (V1 resp. V2) et de la pression (P1 resp. P2) en fonction de la dimension longitudinale du conduit près de l'embouchure. On part dans le cas de la fig. 1 avec un conduit possédant jusqu'au mètre 3,5 un diamètre de 5 cm. Dans le but d'aboutir également à un diamètre du conduit de 5 cm à l'embouchure (mètre 20) il faut d'abord diminuer le diamètre avant de l'augmenter. Pour éviter la création de pulsations, le convergent n'a pas été choisi à angle de convergence constante mais variable de manière à ce que la chute de pression P1 du gaz soit pratiquement monotone depuis l'entrée du gaz dans le convergent jusqu'à sa sortie du divergent, tout saut de pression se traduisant par des turbulences dans l'écoulement. Comme on peut le voir sur la figure, l'angle que fait le profil A10 avec l'axe du conduit part d'une valeur négative maximale, diminue continûment, passe par zéro pour augmenter ensuite continûment. On constate que la longueur du conduit en amont du convergent ne contribue que de façon mineure à l'accélération des particules, qui acquièrent pratiquement toute leur vitesse V1 sur les vingt derniers mètres avant l'embouchure. On peut voir également que l'augmentation de la vitesse du gaz n'est plus quasi-exponentielle et que la vitesse des particules tend vers un palier valant quelque 190 m/s.
Le conduit représenté en fig. a a un diamètre qui s'évase depuis 4,7 cm (mètre 0) jusqu'à 8,7 cm à l'embouchure (mètre 15,5). La vitesse des particules V2 augmente presque linéaire- ment et vaut 195 m/s à l'embouchure.
On constate que lorsque le dispositif d'accélération comporte un tel conduit de section variable, il est possible d'accélérer les particules solides à des vitesses se rapprochant de celles du gaz porteur. L'utilisation judicieuse de convergents ayant un profil en harmonie avec celui du divergent permet de limiter les dimensions du conduit à l'embouchure, l'usure par abrasion dans le col du convergent et l'intégration facile du conduit dans des têtes de lance de conception connue. Pour dimensionner un conduit on doit tenir compte des points suivants:

- la pression de source, le diamètre des conduits d'amenée et le diamètre à l'embouchure sont imposés. Si le diamètre du conduit et celui à l'embouchure doivent être identiques, il faudra une partie convergente qui sera d'autant plus prononcée que la pression de source est élevée et/ où que la distance disponible pour le conduit à section variable est réduite.
- la pression du gaz à l'entrée du conduit à section variable est donnée (légèrement inférieure à la pression source) tout comme celle à l'embouchure (légèrement supérieure à 10⁵Pa). La différence de pression doit être traduite (dans la mesure du possible) en accélération constante du gaz en profitant au maximum de la longueur disponible.
- l'angle que fait une tangente au profil (se trouvant dans un plan passant par l'axe du conduit) avec l'axe du conduit varie presque continûment. Lorsque les particules doivent être accélérées sur distance courte, la variation de l'angle est plus prononcée.

En respectant ces critères de base, on peut optimiser le profil du conduit sur maquette en mesurant la pression et les différentes vitesses en plusieurs endroits le long du conduit.
Au lieu d'ajuster la vitesse des particules en jouant sur la longueur du conduit ou du divergent, la demanderesse ajuste la vitese des particules par l'intermédiaire d'un profil spécifique du conduit, la longueur de celui-ci étant d'importance secondaire. Des vitesses de particules acceptables ont par exemple été observées en réduisant le conduit présentant une section variable jusqu'à une longueur de 5 m. En dessous de cette valeur les résultats ne sont plus probants.
La demanderesse a également essayé de simuler le comportement du gaz et des particules dans des conduits à section variable sur ordinateur en tenant compte d'équations de thermodynamique et de mécanique des fluides:
La tuyère à dimensionner est subdivisée en n éléments finis de longueur variant de 1 à 10 cm.
Pour is[1 à n], les équations se rattachant à l'élément fini s'écrivent:

p_; = pression du gaz (10⁵ Pa)
u_i = vitesse du gaz (m/s)
V_i = vitesse des particules (m/s)
d_i = diamètre de la tuyère (m)
Ax = longueur de l'élément fini (m)
p_o = pression du milieu (105 Pa)
τ_o = densité du gaz à l'embouchure de la tuyère (kg/_m3)
λ = coefficient de frottement gaz-paroi
(λ = 1,25.10^-7)
k = coefficient de frottement particules-paroi
(k = 1,2; déterminé par approches successives)
Q_e = débit pondéral des matières solides (kg/min)
Q_N = débit de gaz (Nm³/h)
τ_c = densité des matières solides (kg/m³)
v = 1,2 (déterminé par approches successives)
d_c = granulométrie (m)
u_f = vitesse finale du gaz (m/s)
u_o = vitesse initiale du gaz (m/s)
L = longueur de la tuyère
a = exposant d'accélération
ξ = coefficient de perte de charge (≈ 0,25)

Il est évident que plus on fait intervenir de paramètres dans les calculs (p.ex. section efficace moyenne des grains, coefficient de frottement du gaz sur la paroi etc.) plus on se rapproche du profil idéal recherché. Mais il faut bien tenir à l'esprit qu'on est en présence de variations de diamètre valant des mm et qu'il est impossible d'usiner des conduits avec une précision mathématique.
Au lieu d'intégrer le dispositif d'accélération dans la lance qui fournit l'oxygène, on peut également introduire les particules solides dans le bain en fusion en utilisant des lances autonomes, possédant leur propre circuit de refroidissement et leur propre chariot de support. De même, on peut envisager de ne pas choisir un conduit ayant une section circulaire, mais ovale, où toute autre section s'intégrant facilement dans l'équipement.
Les mêmes raisonnements exposés plus haut s'appliquent lorsqu'on n'introduit pas les particules dans un milieu où règne la pression atmosphérique. Il suffit simplement de choisir une pression à l'embouchure égale ou légèrement supérieure à celle du milieu environnant.

Claims

1. Dispositif d'accélération de particules solides en suspension dans un gaz porteur se déplaçant à une vitesse subsonique, comportant une source de gaz sous pression, des moyens de dosage du gaz et des particules solides et des conduits d'amenée du mélange gaz/particules solides débouchant sur une lance ayant une section pratiquement circulaire, lesdits conduits d'amenée ou la lance présentant des parties sur lesquelles la section varie, dispositif dans lequel l'angle que fait l'axe de la lance avec une tangente au profil intérieur de la lance et se trouvant dans un plan passant par l'axe de la lance, augmente d'une valeur nominale vers une valeur plus élevée sur une longueur d'au moins 5 m le long du conduit ou de la lance en direction de l'embouchure, de sorte à avoir dans la mesure du possible une accélération quasi constante du gaz.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle augmente continûment sur au moins 5 m.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle est d'abord négatif, augmente continûment, passe par zéro et augmente continûment en direction de l'embouchure.

4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle augmente jusqu'à l'embouchure.

5. Dispositif selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des morceaux de lance dont le profil présente ladite variation d'angle alternent avec des morceaux de lance présentant une section constante.