EP0234389A2 - Tuyère pour lance d'affinage - Google Patents

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EP0234389A2 EP87101778A EP87101778A EP0234389A2 EP 0234389 A2 EP0234389 A2 EP 0234389A2 EP 87101778 A EP87101778 A EP 87101778A EP 87101778 A EP87101778 A EP 87101778A EP 0234389 A2 EP0234389 A2 EP 0234389A2
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Romain Henrion
Jean Liesch
Carlo Heintz
Henri Klein
Jean-François Liesch
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    • 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 present invention relates to a nozzle for a refining lance and in particular a nozzle for supplying post-combustion oxygen to the space situated above a metal bath in the process of refining.
  • refining lances which have, apart from the nozzles supplying the supersonic refining oxygen, several auxiliary nozzles, inclined between 25 ° and 60 ° (see for example patents LU 78 906 and LU 83 814) with respect to the vertical axis, delivering oxygen jets used for post-combustion. Since these oxygen jets are subsonic, the auxiliary nozzles are supplied by an independent oxygen circuit which allows flow regulation. It is also known (see patent LU 82846) to provide the conduits with the nozzles which guide the afterburner oxygen with means for increasing the degree of turbulance of the jet.
  • These means may consist of sheets placed in the conduits of the secondary nozzles so as to form spirals; in another embodiment, the walls of the conduits are provided with grooves which can either be circular and be arranged in a plane perpendicular to the axis of the conduit, or spiral.
  • the object of the present invention is to propose a nozzle which avoids the disadvantages set out above and which makes it possible to send a jet of oxygen into a converter at variable inclination without using a delicate mechanical system.
  • a valve 8 controls the flow of oxygen.
  • This valve which has been designed for reasons of convenience close to the mouth 3, is normally located near the supports of the lance body.
  • a valve-to-mouth distance of ten meters also softens transient phenomena during the rapid deflection of the oxygen jet.
  • a pressure sensor 9 measures the actual pressure P at the inlet of the nozzle 11. This pressure P is compared (reference 14) to a set pressure Po and in the event of a difference a regulator 10 acts on the degree of opening of the valve 8.
  • a regulation loop it is also possible, by means of simple tests, to determine the range in which the degree of opening of the valve 8 must vary.
  • the oxygen jet has a pressure upstream of the nozzle 11 such that the speed of the gas is sonic when passing a fictitious plane 12 passing through the top of the edge 16 and normal to the mantle 4 guiding the gas (theoretically normal to the gas velocity vector). It is at the height of the summit of this pointed edge that the jet relaxes while being the seat of a multitude of shock waves which are at the base of an increase in speed of the jet and its deflection.
  • the deflection angle A varies as a function of the gas pressure at the edge 16, i.e.
  • the invention has been explained using elongated mouthpieces normally arranged at the axis of the lance.
  • the edge 16 instead of being arranged so as to cause an upward deflection of the jet, may, after adequate modification of the oxygen supply conduits, be arranged so as to cause a deflection of the jet down.

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Abstract

Tuyère (11) pour fournir l'oxygène de postcombustion à l'espace se trouvant au-dessus d'un bain métallique en voie d'affinage. Elle est située dans le prolongement d'un conduit d'amenée de gaz (5), muni d'une vanne (8) régulatrice de pression. Elle comporte une paroi réglée le long de laquelle le gaz s'écoule en ligne droite et aboutit à une arête (16) aiguë, constituant une partie de l'embouchure (3). Une paroi coudée (7) relie le reste de l'embouchure, sensiblement situé dans le prolongement de ladite partie réglée, au conduit (5). La paroi coudée (7) forme de préférence en amont de l'arête (16) un convergent, et en aval un divergent. L'embouchure (3) esquisse la forme d'un rectangle aplati dont l'un des côtés longs constitue ladite arête (16).

Description

  • La présente invention concerne une tuyère pour lance d'affinage et en particulier une tuyère pour fournir de l'oxygène de postcombus­tion à l'espace situé au-dessus d'un bain métallique en voie d'affi­nage.
  • On connait des lances d'affinage qui possèdent, en dehors des tuy­ères fournissant l'oxygène supersonique d'affinage, plusieurs tuy­ères auxilières, inclinées entre 25° et 60° (voir par example bre­vets LU 78 906 et LU 83 814) par rapport à l'axe vertical, débitant des jets d'oxygène servant à la postcombustion. Etant donné que ces jets d'oxygène sont subsoniques, les tuyères auxiliaires sont ali­mentées par un circuit d'oxygène indépendant qui permet une régula­tion en débit. Il est également connu (voir brevet LU 82846) de mu­nir les conduits des tuyères qui guident l'oxygène de postcombustion de moyens pour augmenter le degré de turbulance du jet. Ces moyens peuvent consister en des tôles disposées dans les conduits des tuy­ères secondaires de manière à former des spirales; dans une autre forme d'exécution, on munit les parois des conduits de rainures qui peuvent être soit circulaires et être disposées dans un plan perpen­diculaire à l'axe du conduit, soit spiralées.
  • Dans l'art antérieur,les angles d'inclinaison des tuyères qui gui­dent les jets d'oxygène de postcombustion, une fois déterminés par des essais ou des méthodes empiriques (tenant compte des inclinai­sons des jets d'oxygène primaire, de leur disposition, des dimen­sions du convertisseur, de la hauteur de la tête de lance au-dessus du bain, etc.), restent évidemment constants. Il n'est donc pas pos­ sible, ni de balayer l'espace au-dessus du bain avec des jets d'oxy­gène, ni d'envoyer l'oxygène de postcombustion dans le convertisseur sous un angle fonction de la phase d'affinage en cours. On pourrait imaginer de munir des tuyères d'un quelconque système mécanique per­mettant de modifier leur angle d'inclinaison. Malheureusement un tel système serait directement exposé aux conditions difficiles règnant dans un convertisseur (températures variant entre 800 et 1800 °C, projections de scories, de métal liquide...) de sorte à n'avoir qu'une durée de vie des plus réduites. D'un autre côté, des varia­tions d'inclinaison obtenues par des moyens mécaniques seraient trop lentes pour créer une zone étendue, virtuellement alimentée en per­manence par de l'oxygène. Un autre désavantage des tuyères connues est que l'oxygène est envoyé dans l'espace au-dessus du bain en jets discrets c.à d. la concentration en oxygène par rapport à celle du monoxyde de carbone est d'une côté excessive dans le jet et d'un au­tre côté trop faible dans l'espace entre deux jets. Le volume au-des­sus du bain dans lequel la présence d'oxygène et de monoxyde de car­bone en quantités sensiblement stoechiométriques en vue d'amorcer et d'entretenir la combustion peut être assurée, est reduit.
  • La présente invention a comme but de proposer une tuyère qui évite les désavantages exposés plus haut et qui permet d'envoyer un jet d'oxygène dans un convertisseur sous inclinaison variable sans mettre en oeuvre un système mécanique délicat.
  • Ce but est atteint par la tuyère selon l'invention telle qu'elle est caractérisée dans la revendication principale. Des variantes d'exé­cution préférentielle sont décrites dans les sous-revendications.
  • L'invention sera expliqué plus en détail à l'aide de dessins qui en montrent une forme d'exécution possible.
    • - La fig. 1 représente de manière schématique une lance d'affinage munie des tuyères selon l'invention et
    • - la fig. 2 une coupe tranversale selon la ligne II-II à travers une tuyère de la fig. 1.
  • On distingue en fig. 1 le corps de la lance 1 ainsi que trois jets d'oxygène d'affinage 2 sortant de la tête de lance. En retrait de la tête de lance, à une distance de l'ordre de 1 mètre, se trouvent les embouchures 3 de plusieurs tuyères disposées à différentes hauteurs sur le pourtour du corps de lance et fournissant l'oxygène de post­combustion. Sur la coupe en fig. 2 on remarque le conduit d'amenée de gaz 5 débouchant dans la tuyère 11. Le manteau extérieur 4 de la lance 1 délimite un côté du conduit 5 et de la tuyère 11 par une surface réglée le long de laquelle l'oxygène peut se déplacer en li­gne droite jusqu'à l'arête rectiligne 16 formant une partie de l'em­bouchure 3. Le reste de la paroi du conduit 5, repéré par la réfé­rence 6, est relié par l'intermédiaire d'une paroi coudée 7, qui dé­finit une tuyère convergente, à la partie restante de l'embouchure 3.
  • Une vanne 8 contrôle le débit d'oxygène. Cette vanne qui a été des­sinée pour des raisons de commodité proche de l'embouchure 3, se trouve normalement près des supports du corps de lance. Une distance vanne-embouchure d'une dizaine de mètres adoucit également les phé­nomènes transitoires lors de la déflection rapide du jet d'oxygène. Un capteur de pression 9 mesure la pression réelle P à l'entrée de la tuyère 11. Cette pression P est comparée (référence 14) à une pression de consigne Po et en cas de différence un régulateur 10 agit sur le degré d'ouverture de la vanne 8. Au lieu de mettre en oeuvre une boucle de régulation, on peut également déterminer à l'aide de simples essais la plage dans laquelle le degré d'ouverture de la vanne 8 doit varier.
  • Il est impératif pour avoir l'effet de déflection variable désiré, que le jet d'oxygène possède en amont de la tuyère 11 une pression telle que la vitesse du gaz soit sonique au passage d'un plan fictif 12 passant par le sommet de l'arête 16 et normal au manteau 4 gui­dant le gaz (théoriquement normal au vecteur vitesse du gaz). C'est à la hauteur du sommet de cette arête pointue que le jet se détend tout en étant le siège d'une multitude d'ondes de choc qui sont à la base d'une augmentation de vitesse du jet et de sa déviation. L'an­gle de déflection A varie en fonction de la pression du gaz au ni­veau de l'arête 16 c.à d. plus la pression du gaz y est élevée, plus l'angle A est faible; par contre l'effet de déflection par l'arête 16 est pratiquement nul lorsque la gaz a une vitesse subsonique à la traversée du plan 12. En variant par conséquent le degré d'ouverture de la vanne 8 entre des limites préétablies, on arrive à balayer un angle solide qui se rapproche de quelque 40°. Au gré du déroulement du processus d'affinage, il est également possible d'adopter un angle de déflection A bien déterminé et de le garder constant.
  • Notons que pour avoir l'effet désiré il est avantageux, mais pas ab­solument nécessaire, d'utiliser un convergent en amont du plan 12 qui accélère le gaz à la vitesse sonique. Il est également avanta­geux d'un point de vue de l'écoulement du fluide, mais pas essen­tiel, que le conduit 5 débouche sans variation de direction dans la partie réglée de la tuyère 11 en amont de l'arête 16. Il faut uni­quement prévoir en amont de l'arête une paroi, le long de laquelle le gaz peut s'écouler en ligne droite et assurer qu'il possède une vitesse sonique au niveau de l'arête; à la limite on peut imaginer l'emploi de tuyères à section constante, alimentées sous une pres­sion telle que le gaz se trouve à vitesse sonique à l'approche de l'embouchure 3, la paroi 7 définissant un simple coude à 90°.
  • Etant donné que la vitesse à laquelle le jet sort de l'embouchure 3 est habituellement sonique ou supersonique, il existe un danger la­tent que le jet n'arrive jusqu'aux parois du convertisseur et ne dé­grade le matériau réfractaire. Il faut par conséquent impérativement éviter de former un jet "pénétrant". Ceci peut se faire en variant en continu l'inclinaison du jet, les turbulences qui en résultent dans le convertisseur étant peu favorables à un déplacement de jet en ligne droite ou bien en choisissant une hauteur d'embouchure très faible, de l'ordre d'un cm, un jet mince étant freiné sur distance relativement courte par l'atmosphère agitée environnante. La premiè­re solution met en oeuvre des quantités substantielles d'oxygène, mais exclut un fonctionnement sous inclinaison constante.
  • L'invention a été exposée à l'aide d'embouchures allongées disposées normalement à l'axe de la lance. On peut tout aussi bien disposer les embouchures de manière oblique par rapport à l'axe pour avoir p.ex. des interactions entre les différents jets, entraînant un brassage localisé de l'atmosphère; on peut également provoquer un effet de brassage en choisissant une arête courbée au lieu de la prendre rectiligne. Pareillement, l'arête 16, au lieu d'être dispo­sée de manière à provoquer une déviation du jet vers le haut, peut, après modification adéquate des conduits 5 d'amenée d'oxy­gène, être disposée de manière à provoquer une déviation du jet vers le bas.

Claims (9)

1. Tuyère (11) pour lance d'affinage (1) et en particulier tuyère pour fournir l'oxygène de postcombustion à l'espace se trouvant au-dessus d'un bain métallique en voie d'affinage, située dans le prolongement d'un conduit d'amenée de gaz (5), muni d'une vanne (8) régulatrice de pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une paroi réglée le long de laquelle le gaz s'écoule en ligne droite et aboutit à une arête (16), de préférence aiguë, consti­tuant une partie de l'embouchure (3) et une paroi coudée (7) re­liant le reste de l'embouchure, sensiblement situé dans le pro­longement de ladite partie réglée, au conduit (5).
2. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi coudée (7) forme un divergent.
3. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi coudée (7) forme en amont de l'arête (16) un convergent, et en aval un divergent.
4. Tuyère selon la revendication 3, caractérisée en ce que la paroi coudée (7) forme un col, immédiatemment en amont de l'arête (16).
5. Tuyère selon la revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite arête (16) est rectiligne.
6. Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'embouchure (3) esquisse la forme d'un rectangle aplati dont l'un des côtés longs constitue ladite arête (16).
7. Tuyère selon la revendication 6, caractérisée en ce que le rec­tangle a une hauteur de l'ordre de 1 cm.
8. Tuyère selon la revendications 5, caractérisée en ce qu'un plan passant par ladite arête (16) est normal à l'axe de la lance (1).
9. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi réglée est formée par une partie de la face interne du manteau extérieur (4), de forme sensiblement cylindrique, de la lance (1).
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