EP0336109A1 - Tuyère pour lance d'affinage - Google Patents
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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 vertical nozzles supplying the supersonic oxygen for refining, several auxiliary nozzles, inclined between 25 ° and 60 ° (see for example the patents LU 78 906 and LU 83 814) by 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 82 846) to provide the conduits of the nozzles which guide the afterburner oxygen, with means for increasing the degree of turbulence 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 be either circular and arranged in a plane perpendicular to the axis of the conduit, or spiral.
- the angles of inclination of the afterburning oxygen jets are imposed by those of the nozzles; once determined by empirical tests or methods (taking into account the inclinations of the primary oxygen jets, their arrangement, the dimensions of the converter, the height of the lance head above the bath, etc.), these angles remain constant.
- These nozzles do not allow to sweep the space above the bath with jets of oxygen, nor send the post-combustion oxygen into the converter at an angle depending on the refining phase in progress.
- Patent LU 86 329 describes a supersonic nozzle supplying post-combustion oxygen under variable inclination to the space above a metal bath. It has a wall along which the gas flows in a straight line before reaching a sharp edge, constituting a part of the mouth. It is at the height of the summit of this pointed edge that the jet relaxes and is deflected.
- the deflection angle varies as a function of the gas pressure at the edge, i.e. the higher the gas pressure, the greater the deflection angle; on the other hand the deflection effect by the edge is practically zero when the gas has a subsonic speed there.
- the object of the present invention is to propose a nozzle which makes it possible to create a practically homogeneous layer of oxygen above the metal bath of the converter.
- a pressure sensor (not shown) measures the actual pressure P at the inlet of one of the nozzles. This pressure P is compared to a set pressure Po and in the event of a difference a regulation loop acts on the degree of opening of the valve.
- the pressure Po is determined by routine tests so as to have a deflection such that the space around the mouth is uniformly supplied with oxygen.
- a nozzle 3 When a nozzle 3 is fed under a pressure which increases from zero pressure, the gas jet exits at an increasing speed. From a limit pressure, depending on the construction details of the nozzle, the speed of the gas at the outlet becomes sonic. Additional increases in the supply pressure no longer act on the speed of the gas at the outlet which remains sonic, but increase its internal pressure.
- the jet relaxes while being the seat of a multitude of shock waves which are at the basis of an increase in jet speed and its bilateral deflection.
- the deflection angle varies depending on the gas pressure at the mouth, i.e.
- the afterburner nozzles have an inclination of a few tens of degrees relative to the vertical axis and that, at the limit, they are arranged in a circle surrounding the refining nozzles, on the in front of the spear.
- the oxygen layer instead of being horizontal as in the case of fig. 1, will be inclined towards the surface of the metal bath by sketching a shape comparable to that of an open three-quarter umbrella.
- all the carbon monoxide leaving the bath must pass through the bound layer of oxygen before reaching the chimney.
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Abstract
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 connaît des lances d'affinage qui possèdent, en dehors des tuyères verticales fournissant l'oxygène supersonique d'affinage, plusieurs tuyères auxilières, inclinées entre 25° et 60° (voir par exemple les 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 le brevet LU 82 846) de munir les conduits des tuyères qui guident l'oxygène de postcombustion, de moyens pour augmenter le degré de turbulence 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 disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du conduit, soit spiralées. Les angles d'inclinaison des jets d'oxygène de postcombustion sont imposés par ceux des tuyères; 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.), ces angles restent constants. Ces tuyères ne permettent 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.
- Le brevet LU 86 329 décrit une tuyère supersonique fournissant l'oxygène de postcombustion sous inclinaison variable à l'espace au-dessus d'un bain métallique. Elle comporte une paroi le long de laquelle le gaz s'écoule en ligne droite avant d'aboutir à une arête aiguë, constituant une partie de l'embouchure. C'est à la hauteur du sommet de cette arête pointue que le jet se détend et est dévié. L'angle de déflection varie en fonction de la pression du gaz au niveau de l'arête c.à d. plus la pression du gaz y est élevée, plus l'angle de déflection est important; par contre l'effet de déflection par l'arête est pratiquement nul lorsque le gaz y possède une vitesse subsonique. En variant la pression du gaz alimentant la tuyère entre des limites préétablies, on arrive à balayer un angle qui se rapproche de quelque 30°; les turbulences qui en résultent dans le convertisseur favorisent la création d'une zone étendue, alimentée en permanence par de l'oxygène. Bien que cette tuyère possède un taux de postcombustion supérieur à celui des tuyères classiques, elle reste perfectible. En effet suite à des contraintes constructives -place disponible dans la tête de lance- il n'est pas possible de disposer ces tuyères sur tout le pourtour de la tête de lance, mais seulement en quelques endroits discrets, de sorte que l'espace n'est alimenté que de façon incomplète.
- La présente invention a comme but de proposer une tuyère qui permet de créer une couche pratiquement homogène d'oxygène au-dessus du bain métallique du convertisseur.
- Ce but est atteint par la tuyère selon l'invention telle qu'elle est caractérisée dans les revendications indépendantes. Des variantes préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.
- L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide de dessins qui en montrent des formes d'exécution possibles:
- - la fig. 1 présente de manière schématique une lance d'affinage munie des tuyères selon l'invention,
- - la fig. 2 une variante d'une lance d'affinage selon l'invention,
- - la fig. 3 une coupe à travers la fig. 2 selon la ligne III-III et
- - la fig. 4 une coupe à travers deux tuyères voisines exécutées selon une autre variante.
- 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 quelques dizaines de centimètres, se trouvent les embouchures 3 de plusieurs tuyères disposées tout autour du corps de lance et fournissant l'oxygène de postcombustion. Ces tuyères possèdent en amont de leur embouchure un col (facultatif) précédé par un convergent. Les côtés verticaux de l'embouchure possèdent des arêtes vives sinon aigües alors que les côtés disposés horizontalement sont de préférence arrondis. Toutes ces tuyères peuvent être alimentées en parallèle à partir d'une source d'oxygène et d'une vanne unique réductrice de la pression (non représentée). Il faudra veiller à dimensionner les conduits d'amenée de manière à éviter des différences de pression (pertes de charge différentielles) entre les tuyères et également entre différents endroits d'une embouchure. Un capteur de pression (non représenté) mesure la pression réelle P à l'entrée d'une des tuyères. Cette pression P est comparée à une pression de consigne Po et en cas de différence une boucle de régulation agit sur le degré d'ouverture de la vanne.
- La pression Po est déterminée par des essais de routine de manière à avoir une déflection telle que l'espace avoisant de l'embouchure, soit approvisionné uniformément en oxygène. Lorsqu'on alimente une tuyère 3 sous une pression qui va en s'élevant depuis une pression nulle, le jet gazeux sort à une vitesse qui augmente. A partir d'une pression limite, fonction des détails constructifs de la tuyère, la vitesse du gaz à la sortie devient sonique. Des augmentations supplémentaires de la pression d'alimentation n'agissent plus sur la vitesse du gaz à la sortie qui reste sonique, mais élèvent sa pression interne. A la hauteur de l'embouchure, 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 bilatérale. L'angle de déflection varie en fonction de la pression du gaz au niveau de l'embouchure, c.à d. plus la pression du gaz y est élevée, plus la déviation - et la quantité de gaz déviée - est importante; par voie de conséquence le rapport des quantités de gaz qui sortent en ligne droite de la tuyère et de celles qui sont déviées des deux côtés latéraux des tuyères diminue. Il apparaît qu'il y a une plage de pression à l'intérieur de laquelle on obtient l'approvisionnement le plus uniforme de l'espace en regard d'une tuyère. Il existe évidemment aussi une déviation du jet autour des côtés supérieur et inférieur de l'embouchure; comme ces côtés sont de faible largeur et légèrement arrondis, l'effet est peu prononcé. Au vu de la vitesse élevée sous laquelle les jets d'oxygène sortent des tuyères en direction du revêtement réfractaire, on pourrait s'attendre à une usure rapide de celui-ci. Or rien de tel n'a été observé; il semble que le jet n'atteint pas le réfractaire par suite d'un freinage dû à une interaction de la détente du jet avec les ondes de choc; les turbulences qui en résultent sont favorables à une combustion du monoxyde de carbone.
- Par suite de contraintes constructives, il n'est dans beaucoup de cas pas faisable de disposer les tuyères de postcombustion tel que montré en fig. 1. Il est cependant possible de modifier une tête de lance 20 standard (voir fig. 2) avec trous de postcombustion ronds 21 - prévue pour un soufflage subsonique - pour qu'elle crée une couche d'oxygène telle que préconisée par l'invention. A cet effet on introduit de l'extérieur dans les trous des pièces d'insertion 31 qui réalisent une région convergente et un col et modifient l'embouchure de manière à avoir des arêtes vives 33 verticales et parallèles. Ces arêtes, distantes par exemple d'un centimètre, sont reliées en haut et en bas par des parties courbes épousant le profil des trous d'origine. Bien que la section du trou de soufflage soit fortement diminuée par le montage des pièces 31, la quantité de gaz soufflée dans l'espace est néanmoins augmentée, étant donné que le soufflage se fait à vitesse supersonique.
- Il va sans dire que lorsqu'on alimente des tuyères classiques de postcombustion sous une pression telle que le jet d'oxygène devient supersonique à la sortie, il y a également déviation autour des embouchures, mais celle-ci n'est pas préférentielle; le jet ne fait que diverger autour de l'axe de soufflage - avec angle de divergence proportionnel à la pression - sans fournir avec les jets avoisinants une couche gazeuse liée, voire homogène.
- Notons qu'il n'est pas trop gênant que les tuyères de postcombustion possèdent une inclinaison de quelques dizaines de degrés par rapport à l'axe vertical et qu'à la limite elles soient disposées en cercle entourant les tuyères d'affinage, sur le devant de la lance. La couche d'oxygène, au lieu d'être horizontale comme dans le cas de la fig.1, sera inclinée vers la surface du bain métallique en ébauchant une allure comparable à celle d'un parapluie aux trois-quarts ouvert. Dans la disposition des tuyères décrite en rapport avec la fig.1, tout le monoxyde de carbone sortant du bain doit traverser la couche liée d'oxygène avant d'atteindre la cheminée. Dans cette variante, comme les jets visent le bain, une partie du CO sortant du bain à l'extérieur de la surface délimitée par la couche inclinée d'oxygène, ne sera pas brûlée; cependant cette quantité ne représente qu'une faible partie de la quantité totale. L'essentiel est que la combustion se fait dans ce cas à plus faible distance du bain, d'où meilleur rendement thermique.
- Lorsque les tuyères de postcombustion ne sont pas distribuées uniformément sur le pourtour de la tête de lance, mais groupées deux par deux, il est conseillé de modifier l'axe de soufflage des tuyères de sorte à obtenir une meilleure distribution de l'oxygène dans l'espace entre deux paires de tuyères. En fig. 4 une telle paire de tuyères 43 a été représentée. Les pièces d'insertion 41 présentent uniquement une partie convergente, sans col et modifient l'axe de soufflage 42 de la tuyère en direction des paires de tuyères avoisinantes. En supplément à cet artifice, il y a possibilité de reporter les arêtes du côté de l'embouchure avoisinant les autres paires de tuyères, vers l'intérieur du corps (voir ref; 44) de manière à provoquer de ces côtés une déviation du jet avant sa sortie de la tête de lance.
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