EP0254661B1 - Busillon pour tuyère de haut-fourneau - Google Patents

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EP0254661B1
EP0254661B1 EP87470015A EP87470015A EP0254661B1 EP 0254661 B1 EP0254661 B1 EP 0254661B1 EP 87470015 A EP87470015 A EP 87470015A EP 87470015 A EP87470015 A EP 87470015A EP 0254661 B1 EP0254661 B1 EP 0254661B1
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EP
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tuyere
nozzle
cone
frustum
blast
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EP87470015A
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Rémy Meunier
Jean-Louis Bailly
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Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
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Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/16—Tuyéres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/001—Injecting additional fuel or reducing agents
    • C21B5/002—Heated electrically (plasma)

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for blast furnace nozzle, or other similar melting-reduction furnaces, provided with means for overheating the wind.
  • This nozzle has a metal outer wall and an inner coating of hard refractory material. It consists of a cylindrical body, a truncated cone whose side of large diameter is connected to the body, and a substantially cylindrical nose connected to the side of small diameter of the truncated cone, these three elements, body, cone and nose, being arranged one after the other and coaxial.
  • Nozzles of this type are known, the function of which is to bring a preheated gas, in particular air, (called “wind”) to the nozzles which equip the periphery of the blast furnace at the end of the crucible.
  • These nozzles installed in orifices provided in the wall of the furnace, are supplied with gas by the “descents" of wind, connected to the circular which receives the hot wind from the cowpers.
  • the wind is preheated in auxiliary devices of the furnace, the cowpers, and blown into the furnace at high temperatures, of the order of 1200 ° C., in the case of steel blast furnaces.
  • These high temperatures therefore require the presence of the refractory lining inside the nozzle.
  • the external metal wall of the nozzle simply cooled by natural convection, is then conventionally brought to a temperature in the region of 300 ° C. This temperature causes the metal to expand and thus more or less detachment of the refractory concrete relative to the metal sheet.
  • This phenomenon is also favorable, in that it limits the heat losses from the nozzle to the atmosphere, because the thermal conductivity between the refractory and the metal sheet is then reduced.
  • the resulting rise in wind temperature (a temperature of 1800 ° C is easily obtained in the case of a steel blast furnace instead of the usual 900-1100 ° C) caused additional stresses in the nozzle and in in particular the almost necessity of cooling the external metal wall of the nozzle, for example by circulation of water around it.
  • the torch is located on the nozzle itself, it is also desirable to modify its shape and above all to increase the diameter to keep the internal wall of the nozzle away from the jet of gaseous plasma as much as possible.
  • the object of the invention is to improve the operation of ovens with superheated wind, by reducing thermal losses at the level of the nozzle.
  • Another object is to provide a nozzle perfectly adapted to operate with superheated winds, and more particularly a nozzle comprising electrical means for superheating the wind, of the plasma torch type.
  • the nozzle comprises, between the metal outer wall and its usual interior compact refractory lining, a layer of fibrous insulating material placed at least on a part of the body or of the trunk of the nozzle cone.
  • the inventors have found that the heat losses had two essential causes, the first comes from the fact that, the overheated wind nozzle being cooled externally, (by forced circulation of a fluid on the metal wall) the temperature difference between the interior and the outside of the nozzle is greatly increased, the internal temperature T2 being higher and the external temperature T1 being lower.
  • the external metal sheet being strongly cooled does not expand or very little compared to the internal refractory lining.
  • the thermal resistance of the "refractory - sheet" interface is minimal, unlike the case of conventional non-cooled nozzles mentioned previously. Heat exchanges are all the easier and a large amount of energy is dissipated unnecessarily by the cooling circuit.
  • Another advantage is that, these bolts being reduced, the heat energy supplied to the tower by the wind is increased and that the operation of the oven is improved.
  • Yet another advantage is that it is not possible to keep the dimensions, and in particular the diameters of the standard nozzle according to the prior art, by replacing the outer periphery of the compact refractory concrete with the layer of insulating fiber. It is thus possible to reduce the overall thickness of the refractory lining, and therefore to keep the same size as the standard nozzles while benefiting from a significant reduction in heat losses.
  • the fibrous insulation is placed at the level of the body and at the level of the truncated cone. In this way the effect of decreasing the heat losses is maximum in the zone of supply of the hot wind into the nozzle by the downspout, and in the zone of overheating of said wind by the electrical means of superheating placed on the nozzle.
  • the plasma torch for overheating the wind is placed axially on the nozzle, and the diameter thereof is globally reduced, to the point of being equivalent to the diameter of the nozzle of the prior art , not equipped with plasma torch.
  • This arrangement is particularly advantageous because, compared to a lateral implantation of the torch, it avoids the deterioration of the internal wall of the nozzle located opposite the torch, which makes it possible to reduce the diameter which, otherwise, must be increased to allow the implantation of a plasma torch with an oblique stitching with respect to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the thermal losses of the nozzle are further reduced. Indeed, for a given amount of heat conveyed by the wind through the nozzle, the wall surface being smaller, the surface flux of the losses through these walls increases, but it has been found that, overall, the losses decrease.
  • the nozzle In a blast furnace, the nozzle is placed coaxially with the nozzle which opens into the interior of the furnace and held in abutment against it by the nozzle nose 6.
  • the hot wind coming from the cowpers arrives in the busillon laterally by the downspout of wind 7, crosses the busillon, heats up in contact with the flow of very high temperature plasma gas emitted by the plasma torch 8, passes through the nozzle of the nozzle in the blast furnace nozzle from which it is ejected into the enclosure of the blast furnace.
  • the nozzle comprises a metal wall 1 cooled by forced circulation of water in the enclosure 10 which surrounds it.
  • the interior of the nozzle consists of a lining of refractory concrete 2 covering the entire length of the nozzle. This comprises three zones: the body 4 of cylindrical shape into which the wind descent 7 opens, the plasma torch 8, and which is closed at its rear end by a plate 9; the cone 5 of frustoconical shape connected by its large diameter to the body 1; and the nose 6, of cylindrical shape, which connects to the side of small diameter of the cone 5.
  • the plasma torch 8 is fixed to the side wall of the body oriented towards the nose of the nozzle, its axis making an angle of 45 ° with the axis of the nozzle.
  • the plasma dart is not totally deflected by the wind, and strikes the internal surface of the refractory in front of the torch which causes faster wear at this location.
  • the axial arrangement of the torch provides an additional advantage because it makes it possible to reduce the diameter of the nozzle compared to the configuration described above.
  • the diameter of the body instead of 280 mm in the case of the side torch
  • the average diameter of the cone instead of 200 mm
  • the surface flux of these two zones increases but the overall loss decreases.
  • a nozzle according to the invention comprises, for example at the level of the body with an internal diameter of 220 mm, 50 mm of refractory concrete having a conductivity of 4.07 W / m ° K (3.5 Kcal / hm ° C), and 10 mm of fibrous insulation ("Kerlane 60" @ type ) resistant to 1400 ° C; at the level of the 200 mm average diameter cone, 35 mm of concrete and 5 mm of fibrous insulation of the same kind as for the body, and at the level of the 178 mm diameter nose, 12 mm of concrete only.
  • This nozzle is capable of withstanding wind at 1800 ° C and makes it possible to reduce thermal losses by 50% compared to a standard nozzle of larger diameter and not comprising fibrous insulation.
  • the saving thus achieved by the invention is equivalent to a gain of 3% on the power of the plasma torch.
  • An additional advantage of the nozzle according to the invention is that, although the thickness of refractory concrete is reduced (50 mm instead of 60 mm for the standard nozzle of the antenna art). the resistance is not appreciably reduced.
  • the temperature difference between the internal face of the refractory and its external face being smaller, owing to the fact that said external face is no longer in direct contact with the cooled sheet, said refractory is subject to less thermal stress and its resistance is further improved
  • the invention is not limited to the example described above.
  • we can for example place a layer of 20 mm of fibrous insulation.
  • the thermal losses of the body can be reduced to the fifth of those obtained by the nozzle of the antenna art.

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Description

  • L'invention se rapporte à un busillon pour tuyère de hauts fourneaux, ou autres fours de fusion-réduction analogues, pourvus de moyens de surchauffe du vent. Ce busillon comporte une paroi extérieure métallique et un revêtement intérieur en matériau réfractaire dur. Il est constitué d'un corps de forme cylindrique, d'un tronc de cône dont le côté de grand diamètre est relié au corps, et d'un nez sensiblement cylindrique relié au côté de petit diamètre du tronc de cône, ces trois éléments, corps, cône et nez, étant disposés l'un à la suite de l'autre et coaxiaux.
  • On connaît des busillons de ce type dont la fonction est d'amener un gaz préchauffé, notamment de l'air, (appelé "vent") aux tuyères qui équipent le pourtour du haut fourneau au niveau de l'extrémité du creuset. Ces busillons, installlés dans des orifices ménagés dans la paroi du four, sont approvisionnés en gaz par les "descentes" de vent, reliées à la circulaire qui reçoit le vent chaud depuis les cowpers.
  • Selon la pratique courante précisément, le vent est préchauffé dans des dispositifs annexes du four, les cowpers, et insufflé dans le four à des températures élevées, de l'ordre de 1200° C, dans le cas des hauts fourneaux sidérurgiques. Ces températures élevées nécessitent donc la présence du garnissage réfractaire à l'intérieur du busillon. La paroi métallique externe du busillon, simplement refroidie par convection naturelle est alors portée classiquement à une température voisine de 300° C. Cette température provoque la dilatation du métal et ainsi un décollement plus ou moins important du béton réfractaire par rapport à la tôle métallique. Ce phénomène est par ailleurs favorable, en ce qu'il limite les pertes thermiques du busillon vers l'atmosphère, du fait que la conductivité thermique entre réfractaire et tôle métallique est alors réduite.
  • Pour réduire les besoins des hauts fourneaux en coke,il est maintenant connu d'utiliser un vent surchauffé, la surchauffe étant alors réalisée au niveau du busillon ou à son voisinage et plus particulièrement par des moyens électriques, tels que des torches à plasma.
  • L'élévation de la température du vent qui en résulte (une température de 1800° C est aisément obtenue dans le cas d'un haut fourneau sidérurgique au lieu des 900-1100°C habituels) a entraîné des contraintes supplémentaires dans le busillon et en particulier la quasi nécessité de refroidir la paroi métallique externe du busillon, par exemple par circulation d'eau autour de celle-ci.
  • Par ailleurs, si la torche est implantée sur le busillon lui-même il est en outre souhaitable d'en modifier la forme et surtout d'augmenter le diamètre pour éloigner le plus possible la paroi interne du busillon du jet de plasma gazeux.
  • Pour ces raisons, les avantages apportés par l'utilisation de vent surchauffé se trouvent partiellement compensés au niveau des busillons par une augmentation des pertes thermiques à travers les parois de ceux-ci, entraînant au bout du compte une perte d'efficacité de la surchauffe.
  • Le but de l'invention est d'améliorer le fonctionnement des fours à vent surchauffé, par une réduction des pertes thermiques au niveau du busillon.
  • Un autre but est de fournir un busillon parfaitement adapté pour fonctionner avec des vents surchauffés, et plus particulièrement un busillon comportant des moyens électriques de surchauffe du vent, du type torche à plasma.
  • A cette fin et conformément à l'invention, le busillon comporte, entre la paroi extérieure métallique et son revêtement réfractaire compact intérieur habituel, une couche d'un matériau fibreux isolant placée au moins sur une partie du corps ou du tronc de cône du busillon. L'invention est définie de façon plus précise dans les revendications annexées.
  • Les inventeurs ont trouvé que les pertes thermiques avaient deux causes essentielles, La première vient du fait que, le busillon à vent surchauffé étant refroidi extérieurement, (par circulation forcée d'un fluide sur la paroi métallique) la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du busillon est fortement accrue, la température Interne T2 étant plus élevée et la température externe T1 étant plus faible. De plus, la tôle métallique exteneure étant fortement refroidie ne se dilate pas ou tres peu par rapport au revêtement réfractaire interne. De ce fait, la résistance thermique de l'interface "réfractaire - tôle" est minimale contrairement au cas des busillons classiques non retroidis évoqués précédemment. Les échanges thermiques en sont d'autant plus facilités et une quantite importante d'énergie est dissipée inutilement par le circuit de refroidissement.
  • Une autre cause de l'accroissement des pertes thermiques réside dans l'augmentation de diamètre du busillon équipé de torche à plasma Cette augmentation de diamètre entraine une augmentation de la surface d'échange à travers les parois du busillon conduisant également à un accroissement des pertes thermiques.
  • Grâce à l'invention telle que definie cravant, les pertes thermiques à travers les parois du busillon sont fortement réduites.
  • Un autre avantage est que, ces pênes etant réduites, l'énergie calorifique fournie au tour par le vent est augmentée et que le fonctionnement du four est amélioré.
  • Un autre avantage encore est qu n'est possible de conserver les dimensions, et particulierement les diamètres du busillon standard suivant 1 art antérieur, en remplaçant la périphérie externe du béton réfractaire compact par la couche de fibeux isolant. On peut ainsi, réduire l'épaisseur globale du revêtement réfractaire, et donc conserver le même encombrement que les busillons standards tout en bénéficiant d'une importante réduction des pertes thermiques.
  • Selon une réalisation particulière de l'invention, l'isolant fibreux est placé au niveau du corps et au niveau du tronc de cône. De cette façon l'effet de diminution des pertes thermiques est maximum dans la zone d'amenée du vent chaud dans le busillon par la descente de vent, et dans la zone de surchauffe dudit vent par les moyens électriques de surchauffe placés sur le busillon.
  • Selon une disposition particulière de l'invention, la torche à plasma de surchauffe du vent est placée axialement sur le busillon, et le diamètre de celui-ci est globalement réduit, au point d'être équivalent au diamètre du busillon de l'art antérieur, non pourvu de torche à plasma.
  • Cette disposition est particulièrement avantageuse car, par rapport à une implantation latérale de la torche, elle évite la détérioration de la paroi interne du busillon située face à la torche, ce qui permet de réduire le diamètre qui, autrement, doit être augmenté pour permettre l'implantation d'une torche à plasma en piquage oblique par rapport à l'axe longitudinal du busillon.
  • Grâce à cette réduction de diamètre, on diminue encore les pertes thermiques du busillon. En effet, pour une quantité de chaleur donnée véhiculée par le vent à travers le busillon, la surface de paroi étant plus faible, le flux surfacique des pertes par ces parois augmente, mais on a constaté que, globalement, les pertes diminuent.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation concernant un busillon à plasma pour un haut fourneau. Il sera fait référence à la figure unique annexée qui représente en coupe axiale schématisée un busillon conforme à l'invention.
  • Dans un haut fourneau, le busillon est placé coaxialement avec la tuyère qui débouche à l'intérieur du four et maintenu en appui contre celle-ci par le nez 6 de busillon. Le vent chaud provenant des cowpers arrive dans le busillon latéralement par la descente de vent 7, traverse le busillon, se réchauffe au contact du flux de gaz plasmagène à très haute température émis par la torche à plasma 8, passe par le nez de busillon dans la tuyère du haut fourneau d'où el est éjecté dans l'enceinte du haut fourneau.
  • Le busillon comporte une paroi métallique 1 refroidie par circulation forcée d'eau dans l'enceinte 10 qui l'entoure. L'intérieur du busillon est constitué par un garnissage en béton réfractaire 2 recouvrant toute la longueur du busillon. Celui-ci comporte trois zones : le corps 4 de forme cylindrique dans lequel débouche la descente de vent 7, la torche à plasma 8, et qui est obturé à son extrémité arrière par une plaque 9 ; le cône 5 de forme tronconique relié par son grand diamètre au corps 1 ; et le nez 6, de forme cylindrique, qui se relie au côté de petit diamètre du cône 5.
  • Sur toute la longueur du corps 4 et du cône 5, une couche de fibreux isolant 3, résistant à des températures de l'ordre de 1400° C, est placée entre le béton réfractaire 2 et la paroi métallique 1.
  • Selon la réalisation représentée en traits pleins sur la figure, la torche à plasma 8 est fixée sur la paroi latérale du corps orientée vers le nez du busillon, son axe faisant un angle de 45° avec l'axe du busillon.
  • Dans cette disposition, le dard de plasma n'est pas totalement dévié par le vent, et frappe la surface interne du réfractaire en face de la torche ce qui provoque une usure plus rapide à cet endroit.
  • La disposition axiale de la torche, représentée en traits discontinus 8a, apporte un avantage supplémentaire car elle permet de réduire le diamètre du busillon par rapport à la configuration décrite ci-dessus. En particulier si l'on réduit le diamètre du corps à 220 mm (au lieu de 280 mm dans le cas de la torche latérale) et le diamètre moyen du cône à 200 mm (au lieu de 230 mm), le flux surfacique de ces deux zones augmente mais la perte globale diminue. Par cette seule réduction de diamètre, on obtient une diminution de 6% des pertes thermiques du busillon.
  • Un busillon conforme à l'invention comporte par exemple au niveau du corps de diamètre intérieur 220 mm, 50 mm de béton réfractaire ayant une conductivité de 4,07 W/m °K (3,5 Kcal/ hm °C), et 10 mm d'isolant fibreux (de type "Kerlane 60"@) résistant à 1400° C ; au niveau du cône de diamètre moyen 200 mm, 35 mm de béton et 5 mm d'isolant fibreux de même nature que pour le corps, et au niveau du nez de diamètre 178 mm, 12 mm de béton uniquement.
  • Ce busillon est capable de résister à du vent à 1800° C et permet de réduire de 50% les pertes thermique par rapport à un busillon standard de plus grand diamètre et ne comportant pas d'isolant fibreux.
  • En fonctionnement avec du vent a 1600° C, l'économie ainsi réalisée par l'invention équivaut à un gain de 3 % sur la puissance de la torche à plasma.
  • Un avantage supplémentaire du busillon conforme à l'invention est que, bien que l'épaisseur de béton réfractaire soit réduite (50 mm au lieu de 60 mm pour le busillon standard de l'art anteneur). la résistance n'est pas sensiblement diminuée De plus, la différence de température entre la face Interne du réfractaire et sa face externe étant plus faible, du fait que ladite face externe n'est plus en contact direct avec la tôle refroidie, ledit réfractaire est soumis à moins de contraintes thermiques et sa résistance s'en trouve encore améliorée
  • Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit ci-dessus. En acceptant de conserver un diamètre de 280 mm pour le corps du busillon, on peut par exemple placer une couche de 20 mm d'isolant fibreux. Dans ce cas, les pertes thermiques du corps peuvent être réduites au cinquieme de celles obtenues par le busillon de l'art anteneur

Claims (4)

1. Busillon pour tuyère de four de fusIon-réduction, notamment de haut fourneau. pourvu de moyens de sur chauffe du vent comprenant une torche à plasma (8), busillon comportant une paroi extérieure métallique (1) équipée de moyens de refroidissement (10) par circulation d'un fluide refroidissant sur sa surface extérieure, et un revêtement intérieur (2) en matériau réfractaire dur, busillon constitué d'un corps cylindrique (4), d'un tronc de cône (5) dont le côté de grand diamètre est relié au corps, et d'un nez (6) sensiblement cylindrique relié au côté de petit diamètre du tronc de cône, le corps (4), le cône (5) et le nez (6) étant disposés l'un à la suite de l'autre et coaxiaux, busillon caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'un matériau fibreux isolant (3) disposée entre la paroi métallique extérieure (1) et le réfractaire intérieur (2).
2. Busillon selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant fibreux (3) est placé au niveau du corps (4) et au niveau du tronc de cône (5) conjointement.
3. Busillon selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'isolant fibreux (3) est d'environ 10 mm au niveau du corps (4) pour une épaisseur de matériau réfractaire dur d'environ 50 mm et d'environ 5 mm au niveau du tronc de cône (5), pour une épaisseur de matériau réfractaire dur d'environ 35 mm.
4. Busillon selon la revendication 1, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour disposer la torche à plasma (8) suivant l'axe du busillon et en ce que le diamètre extérieur du busillon est sensiblement égal à celui d'un busillon habituel ne comportant pas de moyens de surchauffe du vent par torche à plasma.
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KR (1) KR910000484B1 (fr)
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DE (1) DE3764571D1 (fr)
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FR (1) FR2601760B1 (fr)

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KR880001829A (ko) 1988-04-27
EP0254661A1 (fr) 1988-01-27
DE3764571D1 (de) 1990-10-04
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