EP0234389B1

EP0234389B1 - Tuyere for refining lances

Info

Publication number: EP0234389B1
Application number: EP87101778A
Authority: EP
Inventors: André Bock; Romain Henrion; Jean Liesch; Carlo Heintz; Henri Klein; Jean-François Liesch
Original assignee: Arbed SA
Current assignee: Arcelor Luxembourg SA
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1987-02-09
Publication date: 1992-05-20
Anticipated expiration: 2007-02-09
Also published as: AU6953987A; ATE76439T1; JPS62228427A; ES2031080T3; AU581361B2; BR8700873A; US4730814A; EP0234389A3; EP0234389A2; CA1323757C; LU86329A1; DE3779143D1

Abstract

A blast pipe for delivering refining oxygen to the space above a metal bath in a refining operation is presented. The blast pipe is positioned in a gas supply duct and is provided with a pressure regulating valve. The blast pipe comprises a fixed straight wall portion along which the gas flows in a linear path. The straight wall portion terminates at a sharp edge, constituting a portion of the blast pipe exit orifice. A bent wall segment is located adjacent to and downstream of the straight wall portion and connects the remainder of the straight wall portion to the exit orifice. The bent wall segment preferably has a convergent configuration, upstream of the sharp edge, and a divergent configuration downstream thereof. The exit orifice, in cross section, has the shape of a rectangle, one of the long sides of which constitutes the sharp edge.

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.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.

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.There are known refining lances which have, apart from the nozzles supplying the supersonic oxygen for refining, several auxiliary nozzles, inclined between 25 ° and 60 ° (see for example patents LU 78 906 and LU 83 814) relative 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.

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 possible, 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.In the prior art, the angles of inclination of the nozzles which guide the post-combustion oxygen jets, once determined by tests or empirical methods (taking into account the inclinations of the primary oxygen jets, their arrangement, dimensions of the converter, the height of the lance head above the bath, etc.), obviously remain constant. So it's not possible, neither to sweep the space above the bath with jets of oxygen, nor to send the post-combustion oxygen into the converter at an angle depending on the refining phase in progress. One could imagine providing the nozzles with any mechanical system allowing their angle of inclination to be modified. Unfortunately such a system would be directly exposed to the difficult conditions prevailing in a converter (temperatures varying between 800 and 1800 ° C, projections of slag, liquid metal ...) so as to have only one of the most reduced service life. . On the other hand, variations in inclination obtained by mechanical means would be too slow to create a large area, virtually permanently supplied with oxygen. Another disadvantage of known nozzles is that oxygen is sent into the space above the bath in discrete jets, i.e. the oxygen concentration relative to that of carbon monoxide is on the one hand excessive in the jet and on the other hand too low in the space between two jets. The volume above the bath in which the presence of oxygen and carbon monoxide in substantially stoichiometric quantities in order to initiate and maintain combustion can be ensured, is reduced.

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.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.

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.This object is achieved by the nozzle according to the invention as characterized in the main claim. Variants of preferential execution are described in the subclaims.

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.

The invention will be explained in more detail using drawings which show a possible embodiment thereof.

Fig. 1 schematically represents a refining lance provided with the nozzles according to the invention and
fig. 2 a cross section along line II-II through a nozzle of 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.We can see in fig. 1 the body of the lance 1 as well as three refining oxygen jets 2 leaving the lance head. Set back from the lance head, at a distance of the order of 1 meter, are the mouths 3 of several nozzles arranged at different heights around the periphery of the lance body and supplying post-combustion oxygen. On the section in fig. 2 there is the gas supply pipe 5 opening into the nozzle 11. The outer jacket 4 of the lance 1 delimits one side of the pipe 5 and of the nozzle 11 by a regulated surface along which the oxygen can move in a straight line to the rectilinear edge 16 forming part of the mouth 3. The rest of the wall of the conduit 5, identified by the reference 6, is connected by means of a bent wall 7, which defines a converging nozzle, at the remaining part of the mouth 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.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. Instead of implementing 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.

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.It is imperative to have the desired variable deflection effect, that 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 higher the gas pressure, the more angle A is small; on the other hand, the deflection effect by the edge 16 is practically zero when the gas has a subsonic speed when crossing the plane 12. Consequently, by varying the degree of opening of the valve 8 between pre-established limits, we arrive at sweep a solid angle that approximates some 40 °. As the refining process proceeds, it is also possible to adopt a well-defined deflection angle A and keep it 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°.Note that to have the desired effect it is advantageous, but not absolutely necessary, to use a convergent upstream of the plane 12 which accelerates the gas at sonic speed. It is also advantageous from a point of view of the flow of the fluid, but not essential, that the conduit 5 opens without variation of direction in the adjusted part of the nozzle 11 upstream of the edge 16. It is only necessary to provide upstream of the edge a wall, along which the gas can flow in a straight line and ensure that it has a sonic speed at the edge; at the limit one can imagine the use of nozzles of constant section, supplied under a pressure such that the gas is at sonic speed when approaching the mouth 3, the wall 7 defining a simple 90 ° bend.

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.Since the speed at which the jet leaves the mouth 3 is usually sonic or supersonic, there is a latent danger that the jet could reach the walls of the converter and degrade the refractory material. It is therefore imperative to avoid forming a "penetrating" jet. This can be done by continuously varying the inclination of the jet, the resulting turbulence in the converter being unfavorable for a displacement of the jet in a straight line or else by choosing a very low mouth height, of the order d '' a cm, a thin jet being braked over a relatively short distance by the surrounding agitated atmosphere. The first solution uses substantial quantities of oxygen, but excludes operation at constant tilt.

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.The invention has been explained using elongated mouthpieces normally arranged at the axis of the lance. We can just as easily arrange the mouths obliquely to the axis to have eg interactions between different jets, causing localized mixing of the atmosphere; we can also cause a stirring effect by choosing a curved edge instead of taking it straight. Likewise, 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.

Claims

Tuyere (11) for a refining lance (1), more particularly tuyere for delivering postcombustion oxygen to the space situated above a metal bath in the process of being refined, this tuyere being located in the prolongation of a gas supply conduit (5) and being provided with a pressure regulating valve (8), characterized In that it comprises a fixed straight wall portion along which the gas flows in a linear path and reaches an edge (16), which is preferably sharp and constitutes a portion of the orifice (3) and in that it further comprises a bent wall (7) connecting the remainder of the orifice, situated substantially in the prolongation of the said straight wall portion, to the supply conduit (5).
Tuyere (11) according to claim 1, characterized in that the bent wall (7) is delimiting a divergent tuyere part.
Tuyere (11) according to claim 1, characterized in that the bent wall (7) is delimiting a convergent tuyere part upstream of the sharp edge (16) and a divergent tuyere part downstream thereof.
Tuyere (11) according to claim 3, characterized in that the bent wall (7) constitutes a neck upstream and in the immediate vicinity of the sharp edge (16).
Tuyere (11) according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the sharp edge (16) is rectilinear.
Tuyere (11) according to claim 5, characterized in that the orifice (3) adopts the shape of a flat rectangle of which one of the long sides constitutes the sharp edge (16).
Tuyere (11) according to claim 6, characterized in that the rectangle has a height of the order of magnitude of 1 cm.
Tuyere (11) according to claim 5, characterized in that the plane passing through the said sharp edge (16) is perpendicular to the axis of the lance (1).
Tuyere (11) according to claim 1, characterized in that the straight wall section is constituted by a part of the inner face of the outer substantially cylindrical jacket (4) of the lance (1).