EP0336050A1 - Lance d'injection ou de soufflage - Google Patents

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EP0336050A1
EP0336050A1 EP88870055A EP88870055A EP0336050A1 EP 0336050 A1 EP0336050 A1 EP 0336050A1 EP 88870055 A EP88870055 A EP 88870055A EP 88870055 A EP88870055 A EP 88870055A EP 0336050 A1 EP0336050 A1 EP 0336050A1
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lance
tube
nose
tubes
refractory
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EP88870055A
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Inventor
René Desaar
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Recherches Et Developpements Desaar SA
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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
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors
    • C21C5/4613—Refractory coated lances; Immersion lances

Definitions

  • the present invention relates to an improvement to the lances used in steel mills and foundries for injecting a product or blowing a gas into a liquid metal.
  • An injection or blowing lance essentially comprises a tubular metal body protected by a refractory sheath over at least an appreciable part of its length.
  • the tubular metal body consists of an injection tube and this is sometimes surrounded by a sliding steel tube.
  • the metallic tubular body carries anchor points for a mesh reinforcement produced by means of twisted concrete bars in order to stiffen the lance body as much as possible with flexion, this reinforcement being embedded in the mass of refractory material. which constitutes the protective sheath.
  • the lances are subjected to thermal shocks which produce expansions of the metal parts embedded in the refractory sheath.
  • the invention relates to a lance designed to promote differential thermal expansion between the lance body and its refractory sheath.
  • an injection or blowing lance in which the refractory sheath is separated from the hollow metallic body by an element made of non-expandable material, for example a cardboard tube, preventing the attachment of the refractory material. on the metal body and allowing free expansion of the metal body under the effect of the high temperature of a bath of molten metal when the lance is immersed in it without cracking the refractory sheath.
  • the refractory sheath may comprise, embedded in its mass, a metal reinforcing reinforcement which extends practically coaxially around the lance body.
  • the reinforcing reinforcement preferably consists of a mesh structure, the dimensions of the meshes being such that the refractory material coating the reinforcement extends continuously through the meshes so that the refractory essentially forms a monolithic mass.
  • the lance according to the invention may comprise a cooling device arranged to cool the refractory sheath and the metal lance body.
  • the nose comprises a connecting tube which extends in alignment with the injection tube, the inside diameter of said tube being smaller than the inside diameter of the injection tube.
  • the connection tube carries several tubes communicating with the conduit of said connection tube, these tubes being distributed around the connection tube and extending in general directions transverse to the axis of the tube, these tubes opening onto the outer surface of the nose in order to eject lateral fluid jets so as to balance the reaction exerted on the lance by the ejected fluid.
  • a metal injection tube suspended by its upper end to a lifting ring 11 to which it is fixed by a nut 12.
  • the tube 1 is used for the passage of a product (material or gas) to inject or inject into a liquid metal.
  • a product material or gas
  • the injection tube 1 is surrounded by a sliding metal tube 2 which rests at its base on a support means 3 welded to the injection tube 1.
  • the tube 2 has for example a cylindrical shape ( Figure 2) but it could just as easily have a prismatic shape.
  • the tube 2 can be dimensioned to form around the injection tube 1 an annular chamber which would be arranged in order to circulate a cooling fluid therein.
  • the tubes 1 and 2 here form the metal body 10 of the lance.
  • the metal body could consist of the single injection tube 1.
  • the metal body 10 is protected by a sheath made of refractory material 4. This is maintained by the pressure of a helical spring 13 acting through a spacer 14.
  • the refractory sheath is shown in FIG. 1 in monolithic form, but it could also, in accordance with a known technique, be formed of refractory ferrules superimposed and joined together by seals. In such an embodiment, the joints obviously constitute weak points where deterioration also occurs.
  • the internal surface of the refractory sheath 4 is not in contact with the surface of the metal tube 2 or the metal body of the lance, but with an element made of non-expandable material under the effect of heat 5.
  • This intermediate element consists for example of a cardboard tube but other non-expandable materials can be used.
  • the presence of the non-expandable element 5 has the effect of separating the refractory sheath from the metal body of the lance and shielding it from the influence of the expansion of the metal body while allowing it to expand freely under the effect of the high temperature communicated by the molten metal bath when the lance is immersed in it. Thanks to this separation resulting from the presence of the non-expandable intermediate element 5, the refractory sheath deteriorates much less and much less quickly than in a lance according to the prior art. This results in an appreciable reduction in repairs and replacements, which translates into considerable savings in manpower, immobilization time of the lance and consumption of lances.
  • a reinforcing reinforcement 15 can advantageously be embedded in the refractory mass.
  • the patents BE-837384, BE-849582 and DE-2659735 describe a reinforcing reinforcement consisting of a mesh structure produced from galvanized steel wire. The dimensions of the meshes of the reinforcement 15 are such that the refractory material which coats the reinforcement extends continuously through the meshes and on either side of the reinforcement 15.
  • the refractory sheath also forms a lance nose in order to balance the reaction exerted on the lance by the fluid during its ejection.
  • the injection tube 1 is extended by a metal connection tube 7 welded at its end and having an internal diameter smaller than that of the tube 1.
  • the lower end 8 of the tube 7 is closed and the tube 7 carries several tubes 9 which communicate with the conduit of the tube 7 and are arranged so as to open into the external lateral wall of the nose.
  • the tube connection 7 carries for example four pipes 9, but their number can be any. These pipes are used to produce several lateral jets of fluid with the most balanced distribution possible around the longitudinal axis of the tube 7, that is to say the longitudinal axis of the lance.
  • the connecting tube 7 has a smaller diameter than that of the injection tube 1 so as to create a higher pressure zone which can act as a buffer and makes it possible to avoid obstruction of the pipes. 9 by re-entry of liquid metal during drops in fluid pressure in the injection tube. Such tubing obstructions were not uncommon in the anterior lance noses, which hampered the smooth running of the technical process. This drawback is eliminated thanks to the present invention.
  • the tubes 9 are straight and oblique with respect to the axis of the lance. It is understood, however, that alternative embodiments can be used as described in particular in the aforementioned patents BE-871590 and BE-904670. In particular, the tubes can be curved or be arranged to produce horizontal jets.
  • a reinforcing reinforcement 16 as described for example in patents EP-0099348 and US-4492365.
  • This reinforcing reinforcement can be constituted in a similar manner to the reinforcement 15 of the lance sheath 4 and it can extend this frame by extending coaxially around the connecting tube 7, then extending in a plane transverse to the axis of said tube at a certain distance from the end of this tube.
  • the branches identified by the reference notation 17 are anchoring elements welded to the connecting tube.
  • FIG. 4 illustrates a removable lance nose which is similar to that which is shown in FIG. 1.
  • the upper end of the connection tube 7 comes out of the refractory block of the nose and has a thread 18 intended to cooperate with a similar thread arranged in the inner wall of the injection tube 1 so as to be able to screw the connection tube 7 and the nose 6 onto the injection tube 1 and in unscrew.
  • This embodiment combines the advantages of the nose shown in Figure 1 with those of a removable lance nose.

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Abstract

La gaine de protection en matériau réfractaire (4) qui entoure le corps métallique creux (10) de la lance en est séparée par un élément (5) constitué d'un matériau non dilatable sous l'effet de la chaleur, empêchant ainsi le réfractaire de s'accrocher au corps métalli­que et de se fissurer sous l'effet du choc thermique qui se produit lorsque la lance est plongée dans un bain de métal liquide. Le tube d'injection (1) que comprend le corps (10) de la lance se prolonge à son extrémité par un tube (7) dont le diamètre intérieur est plus petit que celui du tube d'injection.

Description

  • La présente invention concerne un perfectionnement aux lances utilisées dans les aciéries et fonderies pour injecter un produit ou insuffler un gaz dans un métal liquide.
  • Une lance d'injection ou de soufflage comprend essen­tiellement un corps métallique tubulaire protégé par une gaine réfractaire sur au moins une partie ap­préciable de sa longueur. Le corps métallique tubulai­re consiste en un tube d'injection et celui-ci est quelquefois entouré d'un tube coulissant en acier. Dans les lances utilisées actuellement le corps tubu­laire métallique porte des points d'ancrage pour une armature grillagée réalisée au moyen de barres à béton torsadées afin de raidir au maximum le corps de lance à la flexion, cette armature étant noyée dans la masse de matériau réfractaire qui constitue la gaine de protection. Pendant leur utilisation, lorsqu'elles sont plongées dans le métal liquide à haute températu­re puis en sont retirées, les lances sont soumises à des chocs thermiques qui produisent des dilatations des parties métalliques noyées dans la gaine réfrac­taire. Comme les dilatations du corps métallique sont supérieures à celles du matériau réfractaire, il se produit rapidement dans le matériau réfractaire des fissurations horizontales et verticales qui détério­rent la gaine réfractaire. Ces détériorations imposent des réparations fréquentes qui entraînent une main-­d'oeuvre et des manipulations importantes et qui immo­bilisent les lances pendant de longues périodes.
  • Pour éviter les inconvénients résultant de ces dété­riorations, l'invention a pour objet une lance conçue pour favoriser la dilatation thermique différentielle entre le corps de lance et sa gaine réfractaire.
  • Cet objectif est atteint selon l'invention par une lance d'injection ou de soufflage dans laquelle la gaine réfractaire est séparée du corps métallique creux par un élément en matériau non dilatable, par exemple un tube en carton, empêchant l'accrochage du matériau réfractaire sur le corps métallique et per­mettant une libre dilatation du corps métallique sous l'effet de la haute température d'un bain de métal fondu lorsque la lance y est plongée sans fissurer la gaine réfractaire. La gaine réfractaire peut compren­dre, noyée dans sa masse, une armature de renforcement métallique qui s'étend pratiquement coaxialement au­tour du corps de lance. L'armature de renforcement est de préférence constituée d'une structure à mailles, les dimensions des mailles étant telles que le maté­riau réfractaire enrobant l'armature s'étende de façon continue à travers les mailles de manière que le réfractaire forme essentiellement une masse monolithi­que. La lance selon l'invention peut comporter un dispositif de refroidissement agencé pour refroidir la gaine réfractaire et le corps de lance métallique.
  • L'extrémité de la lance est avantageusement protégée par un nez de protection en matériau réfractaire, éventuellement fixé de manière amovible. Suivant l'in­vention, le nez comprend un tube de raccord qui s'étend dans l'alignement du tube d'injection, le diamètre intérieur dudit tube étant plus petit que le diamètre intérieur du tube d'injection. Dans un mode d'exécution particulier, le tube de raccord porte plusieurs tubulures communiquant avec le conduit dudit tube de raccord, ces tubulures étant réparties autour du tube de raccord et s'étendant dans des directions générales transversales à l'axe du tube, ces tubulures débouchant à la surface extérieure du nez afin d'éjec­ter des jets de fluide latéraux de manière à équili­brer la réaction exercée sur la lance par le fluide éjecté.
  • L'invention est exposée en détails dans ce qui suit à l'aide des dessins ci-annexés. Dans ces dessins :
    • - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une lance exemplaire selon l'invention.
    • - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la fig. 1.
    • - la figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne III-III de la fig. 1.
    • - la figure 4 illustre une variante d'exécution de la lance de la fig. 1, dans laquelle le nez de protec­tion est exécuté sous forme amovible.
  • Se reportant à la figure 1, on voit en 1 un tube d'in­jection métallique suspendu par son extrémité supérieure à un anneau de levage 11 auquel il est fixé par un écrou 12. Le tube 1 sert au passage d'un produit (matière ou gaz) à injecter ou insuffler dans un métal liquide. Sur une partie de sa longueur, le tube d'injection 1 est entouré d'un tube métallique coulissant 2 qui repose à sa base sur un moyen d'appui 3 soudé sur le tube d'injection 1. Le tube 2 a par exemple une forme cylindrique (figure 2) mais il pour­rait tout aussi bien avoir une forme prismatique.
  • Dans une variante d'exécution, le tube 2 peut être dimensionné pour former autour du tube d'injection 1 une chambre annulaire qui serait aménagée afin d'y faire circuler un fluide de refroidissement.
  • Les tubes 1 et 2 forment ici le corps métallique 10 de la lance. Dans un autre mode d'exécution, le corps métallique pourrait être constitué du seul tube d'injection 1. Le corps métallique 10 est protégé par une gaine en matériau réfractaire 4. Celle-ci est maintenue par la pression d'un ressort hélicoïdal 13 agissant par l'intermédiaire d'une entretoise 14. La gaine réfractaire est représentée dans la figure 1 sous forme monolithique, mais elle pourrait également, conformément à une technique connue, être formée de viroles réfractaires superposées et unies entre elles par des joints. Dans un tel mode d'exécution, les joints constituent évidemment des points faibles où se produisent également des détériorations.
  • Suivant un aspect de l'invention, la surface intérieu­re de la gaine réfractaire 4 n'est pas en contact avec la surface du tube métallique 2 ou le corps métallique de la lance, mais avec un élément en matériau non dilatable sous l'effet de la chaleur 5. Cet élément intercalaire est par exemple constitué d'un tube en carton mais d'autres matières non dilatables peuvent être utilisées.
  • La présence de l'élément non dilatable 5 à pour effet de désolidariser la gaine réfractaire du corps métal­lique de la lance et de la soustraire à l'influence des dilatations du corps métallique tout en lui per­mettant une libre dilatation sous l'effet de la haute température communiquée par le bain de métal fondu lorsque la lance y est plongée. Grâce à cette désoli­darisation résultant de la présence de l'élément intercalaire non dilatable 5, la gaine réfractaire se détériore beaucoup moins et bien moins rapidement que dans une lance selon la technique antérieure. Il en résulte une diminution appréciable des réparations et remplacements, ce qui se traduit par des économies considérables en main-d'oeuvre, temps d'immobilisation de la lance et consommation de lances.
  • Pour parfaire la résistance mécanique du matériau réfractaire de la gaine de protection 4, une armature de renforcement 15 peut avantageusement être noyée dans la masse réfractaire. Les brevets BE-837384, BE-­849582 et DE-2659735, par exemple, décrivent une armature de renforcement constituée d'une structure à mailles réalisée à partir de fil en acier galvanisé. Les dimensions des mailles de l'armature 15 sont telles que le matériau réfractaire qui enrobe l'arma­ture s'étende de façon continue à travers les mailles et de part et d'autre de l'armature 15.
  • Dans la figure 1 la gaine réfractaire forme également un nez de lance pour assurer un équilibrage de la réaction exercée sur la lance par le fluide lors de son éjection. Dans ce mode d'exécution exemplaire, le tube d'injection 1 se prolonge par un tube de raccord métallique 7 soudé à son extrémité et ayant un diamè­tre intérieur plus petit que celui du tube 1. L'extré­mité inférieure 8 du tube 7 est fermée et le tube 7 porte plusieurs tubulures 9 qui communiquent avec le conduit du tube 7 et sont disposés de manière à débou­cher dans la paroi latérale extérieure du nez. Comme le montre en particulier la figure 3, le tube de raccord 7 porte par exemple quatre tubulures 9, mais leur nombre peut être quelconque. Ces tubulures ser­vent à produire plusieurs jets latéraux de fluide avec une répartition la plus équilibrée possible autour de l'axe longitudinal du tube 7, c'est-à-dire l'axe lon­gitudinal de la lance.
  • Cette disposition latérale et équilibrée des tubulures de sortie est connue par les brevets BE-871590 et BE-­904670 par exemple. Suivant l'invention, cependant, le tube de raccord 7 a un diamètre plus petit que celui du tube d'injection 1 de manière à créer une zone à plus haute pression qui peut servir de tampon et per­met d'éviter l'obstruction des tubulures 9 par rentrée de métal liquide lors des baisses de pression du flui­de dans le tube d'injection. De telles obstructions des tubulures n'étaient pas rares dans les nez de lance antérieurs, ce qui entravait le bon déroulement du processus technique. Cet inconvénient est éliminé grâce à l'invention présente.
  • Dans le mode d'exécution exemplaire illustré dans la figure 1, les tubulures 9 sont rectilignes et obliques par rapport à l'axe de la lance. Il est bien entendu cependant que des variantes d'exécution peuvent être utilisées comme décrit notamment dans les brevets BE-­871590 et BE-904670 précités. En particulier, les tu­bulures peuvent être courbes ou être agencées pour produire des jets horizontaux.
  • Dans la masse réfractaire du nez 6 est avantageusement noyée une armature de renforcement 16 comme décrit par exemple dans les brevets EP-0099348 et US-4492365. Cette armature de renforcement peut être constituée de façon semblable à l'armature 15 de la gaine de lance 4 et elle peut prolonger cette armature en s'étendant coaxialement autour du tube de raccord 7, puis s'éten­dre dans un plan transversal à l'axe dudit tube à une certaine distance de l'extrémité de ce tube. Les bran­ches identifiées par la notation de référence 17 sont des éléments d'ancrage soudés sur le tube de raccord.
  • Il va de soi que le nez de lance décrit ci-dessus et illustré dans les dessins ci-annexés n'est qu'un mode d'exécution exemplaire et que d'autres modes d'exécu­tion peuvent être prévus avec la lance selon l'inven­tion. En particulier, l'extrémité de la lance peut être protégée par un nez vissé sur le tube d'injection de manière à pouvoir être remplacé sans avoir à rem­placer toute la lance. Divers types de nez de lance amovibles sont connus et la figure 4, par exemple, illustre un nez de lance amovible qui est semblable à celui qui se trouve montré dans la figure 1. L'extré­mité supérieure du tube de raccord 7 sort du bloc réfractaire du nez et présente un filet 18 destiné à coopérer avec un filet semblable aménagé dans la paroi intérieure du tube d'injection 1 de manière à pouvoir visser le tube de raccord 7 et le nez 6 sur le tube d'injection 1 et l'en dévisser. Ce mode d'exécution allie les avantages du nez montré dans la figure 1 avec ceux d'un nez de lance amovible.

Claims (18)

1. Lance pour injecter ou insuffler un produit dans un bain de métal fondu, la lance comprenant un corps métallique creux (10) et une gaine de protection en matériau réfractaire (4) s'étendant sur au moins une partie de la longueur du corps métallique creux, ledit corps métallique creux (10) comprenant un tube d'in­jection (1), caractérisée en ce que la gaine de pro­tection (4) est séparée du corps métallique creux (10) par un élément (5) constitué d'un matériau non dilata­ble sous l'effet de la chaleur.
2. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément en matériau non dilatable (5) est soutenu intérieurement par un tube de support métalli­que (2) qui s'étend coaxialement autour du tube d'injection (1).
3. Lance selon la revendication l ou 2, caractérisée en ce que l'espace compris entre le tube d'injection (1) et le tube de support métallique (2) est agencé pour la circulation d'un fluide de refroidissement.
4. Lance selon la revendication 1, 2 ou 3, caractéri­sée en ce que la gaine réfractaire (4) comprend, noyée dans sa masse, une armature de renforcement métallique (15) qui s'étend pratiquement coaxialement autour du corps de lance (10), l'armature de renforcement (15) étant constituée d'une structure à mailles, les dimen­sions des mailles étant telles que le matériau réfrac­taire enrobant l'armature s'étende de façon continue à travers les mailles de manière que le matériau réfrac­taire forme essentiellement une masse monolithique.
5. Lance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que son extrémité est protégée par un nez en matériau réfractaire (6) com­prenant un tube de raccord (7) s'étendant dans l'ali­gnement du tube d'injection (1), le diamètre intérieur dudit tube (7) étant plus petit que le diamètre inté­rieur du tube d'injection (1).
6. Lance selon la revendication 5, caractérisée en ce que le tube de raccord (7) porte plusieurs tubulures (9) communiquant avec le conduit dudit tube de raccord (7), ces tubulures (9) étant réparties autour du tube de raccord (7) et s'étendant dans des directions géné­rales transversales à l'axe du tube (7), et débouchant à la surface extérieure du nez de manière à éjecter des jets de fluide latéraux.
7. Lance selon la revendication 6, caractérisée en ce que les tubulures (9) sont rectilignes.
8. Lance selon la revendication 6, caractérisée en ce que les tubulures (9) sont courbes.
9. Lance selon la revendication 6, 7 ou 8, caractéri­sée en ce que les tubulures (9) débouchent dans la surface extérieure du nez de manière à produire des jets latéraux de fluide dans des directions obliques par rapport à l'axe de la lance.
10. Lance selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que le nez (6) comprend une armature de renforcement (16) noyée dans la masse réfractaire.
11. Lance selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que l'extrémité supérieure du tube de raccord (7) du nez (6) présente un moyen de fixation (18) pour fixer le nez (6) de façon amovible à l'extrémité du tube d'injection (1).
12. Nez de protection en matériau réfractaire pour une lance d'injection ou de soufflage, caractérisé en ce qu'il comprend un tube (7) ayant un diamètre plus petit que le diamètre du tube d'injection de la lance, l'extrémité supérieure dudit tube (7) présentant un moyen de fixation (18) pour fixer ce tube (7) de manière amovible à l'extrémité de la lance dans le prolongement du tube d'injection (1) de la lance.
13. Nez de lance selon la revendication 12, caractéri­sé en ce que ledit tube (7) porte plusieurs tubulures (9) communiquant avec le conduit de ce tube (7), ces tubulures (9) étant réparties autour du tube de rac­cord (7) et s'étendant dans des directions générales transversales à l'axe du tube (7), ces tubulures débouchant à la surface extérieure du nez de manière à éjecter des jets de fluide latéraux.
14. Nez de lance selon la revendication 13, caractéri­sé en ce que les tubulures (9) sont rectilignes.
15. Nez de lance selon la revendication 13, caractéri­sé en ce que les tubulures (9) sont courbes.
16. Nez de lance selon la revendication 13, 14 ou 15, caractérisé en ce que les tubulures (9) débouchent dans la surface extérieure du nez de manière à produi­re des jets latéraux de fluide dans des directions obliques par rapport à l'axe de la lance.
17. Nez de lance selon l'une quelconque des revendica­tions 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend une armature de renforcement (16) noyée dans la masse réfractaire.
18. Nez de lance selon la revendication 17, caractéri­sé en ce que l'armature de renforcement (16) est cons­tituée d'une structure à mailles, les dimensions des mailles étant telles que le matériau réfractaire enro­bant l'armature s'étende de façon continue à travers les mailles de manière que le matériau réfractaire forme essentiellement une masse monolithique.
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