EP0539683A1 - Lance de soufflage - Google Patents

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EP0539683A1
EP0539683A1 EP92114363A EP92114363A EP0539683A1 EP 0539683 A1 EP0539683 A1 EP 0539683A1 EP 92114363 A EP92114363 A EP 92114363A EP 92114363 A EP92114363 A EP 92114363A EP 0539683 A1 EP0539683 A1 EP 0539683A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lance
gas
nozzles
flow
blowing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP92114363A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
André Bock
Robert Mousel
Patrick Bintner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arcelor Luxembourg SA
Original Assignee
Arbed SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arbed SA filed Critical Arbed SA
Publication of EP0539683A1 publication Critical patent/EP0539683A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces

Definitions

  • the present invention relates to a blowing lance, in particular a lance for refining metals by blowing a gas on a metal bath.
  • a refining gas most often oxygen, is blown from above onto the molten metal.
  • a blowing lance commonly used today for such a process has a head with nozzles producing 4 to 6 supersonic jets of refining gas which strike the surface of the bath at fixed points of impact.
  • Such a lance is generally characterized by a gas flow dependent on the gas supply pressure and a supersonic gas ejection speed which is a function of the same supply pressure.
  • a lance of this type will be designated by the term "conventional lance”.
  • a blowing head of a lance according to Luxembourg patent No 87 855 comprises a rotating part, or a rotor, which is directly exposed to heat and splashing from the bath, but which, for technical reasons, is however not integrated into the cooling circuits of the lance.
  • the result for this blowing head is a service life substantially less than a blowing head of said conventional lance, for which the integral cooling of the terminal cap does not pose any major technical problem.
  • Another technique well known by the LD-CL ( C irculating L ance) process, uses an inclined lance that can circulate around a vertical axis to sweep the surface of the bath by the jet (s).
  • This lance has advantages similar to those described for the lance with rotating jets. Its implementation, however, requires significant mechanical means and a complete modification of the lance suspension equipment.
  • the object of the present invention is to provide a blowing lance, in particular a lance for refining of metals by blowing a gas on a metal bath, comprising an adjustable nozzle making it possible to create a supersonic flow of refining gas at independently adjustable rate and speed, and a blowing head provided with a front cap into which opens a set of fixed nozzles dividing said supersonic gas flow into free individual jets, with which a better mixing of the bath is obtained without increasing the risk of local overheating and / or over-concentration of gas injected at the points of impact jets.
  • a blowing lance characterized in that said lance comprises a cyclic modulator of the gas flow rates passing through the fixed nozzles and in that said cyclic modulator is designed so as to gradually block a first subset of nozzles fixed for the passage of gas and to simultaneously and gradually release a second subset of fixed nozzles for the passage of gas during the first part of a modulation cycle and vice versa during the second part of this cycle.
  • the mass flow rate of the individual jets is cyclically modulated between a minimum value and a maximum value and vice versa, so that the flow rates in some of the jets do not evolve synchronously with the flow rate of other jets, that is to say that they do not increase or decrease at the same time and do not reach their minimum value, respectively maximum at the same time.
  • a jet of gas striking the surface of a liquid displaces a certain volume of liquid at its point of impact and thus creates a depression in the surface of the liquid.
  • the volume of liquid displaced by the jet is in particular an increasing function of the mass flow of the jet. It follows that if the mass flow of the gas increases, the volume of the vacuum increases and the impact zone of the jet becomes a source generating a flow of liquid which is discharged outside the impact zone.
  • a jet whose mass flow is modulated between a minimum and maximum value causes greater mixing of the liquid than a jet with a fixed flow, equal to the integrated average of the modulated flow.
  • the mixing of the bath is therefore considerably increased compared to a lance with non-modulated fixed jets, operating with the same flow rate of refining gas.
  • the way in which the flow evolves in the different jets can be determined by the characteristics, inter alia the geometry, of the cyclic modulator of the flow of each individual jet.
  • a first advantageous embodiment is distinguished, inter alia, by the fact that the total flow rate of the jets hardly varies.
  • the blowing lance (1) comprises a lance body (2) welded to a blowing head (3).
  • the lance body (2) comprises a jacket with four coaxial walls (4, 5, 6 and 7), eg made of welded steel tubes, spaced apart by means of spacers and connected to the lance head (3) to form a water cooling circuit (9) between the walls (4, 5 and 6) and those of the blowing head (3).
  • the inner wall (7) of the lance body (2) forms an annular chamber (10) crossed along its axis aa 'by a support rod (11), coaxial with the axis aa' and serving as a support for a assembly forming part of a Laval nozzle (12).
  • the support rod (11) is preferably formed by a tube which allows the installation of electrical connections (not shown in the figures) for supplying electric current to various control mechanisms which will be described later.
  • the support rod (11) and the inner wall (7) can themselves act as conductors for the supply of electric current to said control mechanisms.
  • the assembly forming part of the Laval nozzle (12) comprises a translation body (13) attached to the support rod (11) by means of a control mechanism composed by a linear servomotor (14) and a cylindrical sheath (15) in which the translation body (13) can move in the direction of the axis aa 'of the blowing lance (1).
  • the end of the translation body (13) has the shape of a kind of needle, the profile of which follows a continuous aerodynamic transition curve, in order to minimize the creation of turbulence in the refining gas flow.
  • the coaxial conduit (16) for the refining gas, that is to say the primary oxygen.
  • the coaxial conduit (16) comprises a part (17), composed of a convergent and a neck which extends into a cylindrical conduit.
  • the convergent and the fixed neck together form with the needle of the translation body (13) an adjustable Laval nozzle (12), the characteristics or parameters of which can be modified by moving the translation body (13) in the direction of the 'axis a-a'.
  • This Laval nozzle makes it possible to control the flow of the refining gas independently of the supersonic speed that the jet of refining gas will take when leaving the Laval nozzle (12) by discharging in the axial direction aa 'in the cylindrical extension of the part. (17) of the conduit (16).
  • the blowing lance (1) Downstream of the part (17) of the conduit (16) of the refining gas, the blowing lance (1) comprises, according to the present invention, a modulator device (18) (see FIG. 1) arranged centrally in the supersonic flow. refining gas.
  • the modulator device (18) is located above a part (28) provided with four mouths (29) whose function is to divide the main supersonic flow of the refining gas aerodynamically correct in four super-sonic flows, the flow rates of which would be almost equal in the absence of the modulator device (18).
  • Said four outlet orifices (31) are spaced at an angle of 90 ° on a circumference whose center is located on the axis of the lance.
  • the axis of the nozzles (30) is therefore inclined at an angle ⁇ relative to the axis of the lance.
  • the choice of this angle ⁇ is, among other things, a function of the geometry of the pocket and the height of the lance head above the bath. Generally ⁇ is between 10 ° and 15 °.
  • the modulator device (18) is executed in the form of a rotor, comprising a cylindrical upper part (19) which is suspended from a suspension and drive device (20) comprising an upper support (21), as well as a lower support (22).
  • the upper support (21) and the lower support (22) of the rotor (18) comprise ball bearings, the housings of which are tightly but removably attached to the wall (7 ) of the lance body (2).
  • the fixing means some of which are shown in detail in FIG. 1, are not described since they relate only indirectly to the present invention. They must be chosen so as to allow the technical implementation of the present invention and can therefore be different from those shown in FIG. 1 which constitute only a preferred embodiment.
  • the actuator shaft (23) is provided with a pinion (24) which drives a ring gear (25) which is provided with the suspension and drive device (20).
  • the modulator device (18) essentially consists of said upper part (19) and a lower part which are detachably attached to one another.
  • the upper part (19) of cylindrical interior shape, extends over a certain distance and serves, among other things and although it is in rotary motion, as a course for stabilizing the supersonic jet of the refining gas.
  • the lower part of the modulator device (18) constitutes a rotary shutter (35) installed directly upstream of the four mouths (29) arranged in the part (28).
  • the rotary shutter (35) consists of a tube (36) in which two symmetrical parts (37) are fixed at places diametrically opposite.
  • the internal diameter of the tube (36) is chosen so that the projection of the internal section of the tube (36) on the part (28) entirely contains the four mouths (29), and that the periphery of this projection is preferably tangent around the mouths (29).
  • the shape of the parts (37) can be described as being obtained by cutting an oblique plane of a solid cylinder, having the internal diameter and the height of the tube (28). The cut is made so that the cutting plane is tangent to one base of the cylinder and cuts in the other base of the cylinder a circular segment with an opening angle of approximately 90 ° (see Figure 4).
  • This embodiment of the rotary shutter (35) was chosen for its simplicity of machining. It fulfills its function perfectly although the phase opposition between the two pairs of jets is not perfect.
  • the shutter (35) rotated by the servomotor (23) via the cylinder (19) closes at the instant t o partially two diametrically opposite mouths (29A), and gives free access to two diametrically opposite mouths (29B) and offset 90 ° from the first (see Figure 4a). It follows that the flow rate is minimum in two nozzles (30A) connected to the two mouths (29A), and maximum in two nozzles (30B), connected to the mouths (29B) (see Figure 3a). During the half-rotation which follows the instant t o the flow rate will increase in the two nozzles (30A) and decrease in the two nozzles (30B).
  • the impact zones of the jets (A1, A2) leaving the nozzles (30A) become sources and the impact zones of the jets (B1, B2) leaving the nozzles (30B) become wells (see FIG. 3a).
  • a material flow is established in consequence in the bath towards the source zones towards the well zones.
  • the shutter (35) has closed the pair of mouthpieces (29B) as much as possible and completely freed access to the pair of mouthpieces (29A) (see FIG. 4b).
  • the flow is now maximum in the nozzles (30A) and minimum in the nozzles (30B).
  • the flow rate will increase in the two nozzles (30B) and decrease in the two nozzles (30A).
  • the impact zones of the jets (B1, B2) leaving the nozzles (30B) become sources and the impact zones of the jets (A1, A2) leaving the nozzles (30A) become wells.
  • the flow of material in the bath is therefore reversed compared to the previous half-rotation (see Figure 3b).
  • This preferred embodiment has inter alia the advantage that the radial forces (perpendicular to the axis of the lance), exerted on the blowing head (3) by the jets which leave the lance with an angle ⁇ with respect to the vertical have a null result at each moment of the cycle.
  • the lance according to the preferred embodiment therefore does not undergo lateral forces due to the jets during its operation.
  • the lance may also include several post-combustion nozzles (34) which are arranged on a circumference around the orifices of the primary refining gas nozzles. These afterburner nozzles (34) are supplied with oxygen by a secondary flow of gas flowing in the annular space between the walls (6) and (7) of the mantle of the lance (1).
  • the present invention provides for a refining process a blowing lance which makes it possible to create movements in the bath, promoting the inflow of material towards the points of impact of the jets, and appreciably increasing the mixing of the bath. current liquid refining, without creating situations of over-concentration of the oxidizing gas and / or local overheating at the points of impact of the jets on the bath.
  • the blowing head As the cap (32), which constitutes the end of the lance facing the liquid bath, is completely cooled with water, the blowing head is distinguished by a long service life.
  • All the mobile elements are also installed in the shelter, inside the lance completely cooled with water, and are thus protected against the extremely harsh environment which reigns above the metal bath.
  • modulator device (18) can be easily added to an existing lance.

Landscapes

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Abstract

On présente une lance de soufflage pour l'affinage de métaux par soufflage d'un gaz sur un bain métallique, comprenant une tuyère réglable (12) permettant de créer un flux supersonique de gaz d'affinage à débit et à vitesse ajustables indépendamment, ainsi qu'une tête de soufflage (3) à plusieurs tuyères fixes (30) divisant le flux supersonique de gaz en jets individuels entre une valeur minimale et une valeur maximale de façon que le débit dans certains des jets n'évolue pas de façon synchrone avec le débit d'autres jets. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne une lance de soufflage, en particulier une lance l'affinage de métaux par soufflage d'un gaz sur un bain métallique.
  • Au cours d'un procédé d'affinage comme celui de la fonte ou d'un alliage de fer, un gaz d'affinage, le plus souvent de l'oxygène, est soufflé par le haut sur le métal en fusion.
  • Une lance de soufflage communément utilisée aujourd'hui pour un tel procédé possède une tête avec des tuyères produisant 4 à 6 jets supersoniques de gaz d'affinage qui heurtent la surface du bain à des points d'impact fixes. Une telle lance se caractérise généralement par un débit de gaz dépendant de la pression d'alimentation du gaz et une vitesse supersonique d'éjection du gaz qui est fonction de la même pression d'alimentation. Dans la suite de la présente description une lance de ce type sera désignée par le terme "lance classique".
  • Différentes techniques ont été développées pour intensifier le brassage du bain métallique, pour amener constamment du métal en fusion nouveau en contact avec le gaz oxydant, pour éviter de créer une situation de surconcentration du gaz oxydant dans le bain et pour éviter une surchauffe locale aux points d'impact des jets.
  • De par le fascicule de brevet luxembourgeois No 87 855 on connaît une lance de soufflage de gaz d'affinage avec un nombre pair de jets de gaz dont le point d'impact sur la surface du bain liquide peut être déplacé de façon continue le long d'une trajectoire circulaire lors de l'opération d'affinage. Par rapport à ladite lance classique, cette lance se distingue par un meilleur brassage du bain métallique, par une meilleure distribution du gaz oxydant et par une meilleure répartition de la chaleur de réaction aux points d'impact des jets. Une tête de soufflage d'une lance selon le brevet luxembourgeois No 87 855 comprend une partie rotative, ou un rotor, qui est directement exposé à la chaleur et aux éclaboussures du bain, mais qui, pour des raisons techniques, n'est cependant pas intégré dans les circuits de refroidissement de la lance. Il en résulte pour cette tête de soufflage une durée de vie sensiblement inférieure à une tête de soufflage de ladite lance classique, pour laquelle le refroidissement intégral de la calotte terminale ne pose pas de problème technique majeur.
  • Une autre technique, bien connue par le procédé LD-CL (Circulating Lance), utilise une lance inclinée pouvant circuler autour d'un axe vertical pour faire balayer la surface du bain par le (ou les) jet(s). Cette lance présente des avantages analogues à ceux décrits pour la lance à jets tournants. Sa mise en oeuvre nécessite cependant des moyens mécaniques importants et une modification complète de l'équipement de suspension des lances.
  • Dans le fascicule de brevet luxembourgeois No 87 353 on décrit une tuyère Laval réglable permettant de créer dans une lance de soufflage un flux supersonique de gaz à vitesse et à débit massique ajustables indépendamment. On sait donc obtenir avec ce dispositif des jets de différentes duretés (vitesses) à différents débits. Ce dispositif selon le brevet luxembourgeois No 87 353 sera avantageusement incorporé dans la conception de la nouvelle lance de soufflage pour l'affinage de métaux qui fait l'objet de la présente invention.
  • Avec une lance classique équipée d'une telle tuyère Laval réglable on a naturellement la possibilité d'augmenter le débit massique du gaz oxydant pendant l'opération d'affinage et d'accroître de cette manière le brassage du bain. Cette façon de procéder a cependant le désavantage de créer des situations de surconcentration du gaz oxydant dans le bain et/ou une surchauffe locale du bain aux points d'impact des jets.
  • Le but de la présente invention est de proposer une lance de soufflage, en particulier une lance pour l'affinage de métaux par soufflage d'un gaz sur un bain métallique, comprenant une tuyère réglable permettant de créer un flux supersonique de gaz d'affinage à débit et à vitesse ajustables indépendamment, et une tête de soufflage munie d'une calotte frontale dans laquelle débouche un ensemble de tuyères fixes divisant ledit flux supersonique du gaz en jets individuels libres, avec laquelle on obtient un meilleur brassage du bain sans pour autant accroître le risque de surchauffe locale et/ou de surconcentration de gaz injecté aux points d'impact des jets.
  • Ce but est atteint par une lance de soufflage caractérisée en ce que ladite lance comprend un modulateur cyclique des débits de gaz passant à travers les tuyères fixes et en ce que ledit modulateur cyclique est conçu de façon à obturer progressivement un premier sous-ensemble de tuyères fixes pour le passage du gaz et à libérer simultanément et progressivement un deuxième sous-ensemble de tuyères fixes pour le passage du gaz pendant la première partie d'un cycle de modulation et vice versa pendant la deuxième partie de ce cycle.
  • Il s'ensuit que le débit massique des jets individuels est modulé cycliquement entre une valeur minimale et une valeur maximale et vice versa, de façon que les débits dans certains des jets n'évoluent pas de façon synchrone avec le débit d'autres jets, c'est-à-dire qu'ils n'augmentent ou ne diminuent pas en même temps et n'atteignent pas leur valeur minimale, respectivement maximale au même moment.
  • Avec la lance proposée, il est possible de créer avec plusieurs jets, ayant des points d'impact fixes sur la surface du bain, des mouvements dans le bain qui augmentent en général le brassage du bain, accroissent plus particulièrement l'afflux de la matière en fusion vers les points d'impact des jets, et évitent ainsi de créer, aux points d'impact des jets sur le bain, des situations de surconcentration du gaz oxydant dans le bain et/ou une surchauffe locale .
  • Le principe de fonctionnement d'une telle lance peut s'expliquer comme suit:
       Un jet de gaz heurtant la surface d'un liquide déplace à son point d'impact un certain volume de liquide et crée ainsi une dépression dans la surface du liquide. Le volume de liquide déplacé par le jet est notamment une fonction croissante du débit massique du jet. Il s'en suit que si le débit massique du gaz augmente, le volume de la dépression augmente et la zone d'impact du jet devient une source générant un débit de liquide qui est refoulé en dehors de la zone d'impact.
  • Si par contre le débit massique d'un jet de gaz diminue, la dépression créée dans la surface du liquide se remplit sous l'effet de la pesanteur et la zone d'impact du jet devient ainsi un puits générant un débit de liquide qui afflue vers la zone d'impact du jet.
  • Il en résulte qu'un jet dont le débit massique est modulé entre une valeur minimale et maximale provoque un brassage plus important du liquide qu'un jet à débit fixe, égal à la moyenne intégrée du débit modulé.
  • En juxtaposant des sources et des puits, c'est-à-dire des jets à débits croissants et décroissants, on sait amplifier les mouvements du liquide dans le bain. On réalise en effet des "moteurs" internes au bain, formés de couples (source, puits) réversibles cycliquement. Ces "moteurs" internes créent des flux alternatifs de matière entre les zones d'impact des jets modulés.
  • Le brassage du bain est donc considérablement augmenté par rapport à une lance a jets fixes non modulés, fonctionnant avec le même débit de gaz d'affinage.
  • La pratique industrielle a montré que les résultats obtenus avec une lance fonctionnant suivant le principe décrit ci-avant, sont au moins équivalents aux résultats obtenus avec des lances à jets tournants.
  • Par un choix judicieux de la fréquence et de la fonction de modulation (évolution des débits dans le temps et décalage des cycles dans les différents jets) on a d'ailleurs réussi à provoquer des phénomènes de superposition de mouvements dans le bain et à faire entrer le liquide en mouvements de résonance. Ces phénomènes accroissent encore davantage les mouvements de la matière dans le bain et ont entre autres une influence bénéfique sur la cinétique des réactions métallurgiques, ainsi que sur la fusion de la mitraille éventuellement ajoutée au bain.
  • La façon dont le débit évolue dans les différents jets peut être déterminée par les caractéristiques, entre autres la géométrie, du modulateur cyclique du débit de chaque jet individuel.
  • Une première réalisation avantageuse se distingue entre autres par le fait que le débit total des jets ne varie presque pas.
  • Il peut aussi être avantageux de créer des couples de jets dont un jet a un débit maximal au moment où l'autre jet a un débit minimal et vice-versa.
  • Il peut de plus être avantageux de choisir une distribution géométrique des jets et un mode de distribution cyclique des débits entre les jets, de façon que les composantes horizontales des forces de réaction, qui sont dues aux jets inclinés, aient une résultante nulle à chaque moment du cycle.
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré qui est présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés.
    • La figure 1 montre une coupe longitudinale, suivant deux plans perpendiculaires, de la tête de soufflage d'une lance selon l'invention.
    • La figure 2 montre une coupe longitudinale, suivant deux plans perpendiculaires, de la tuyère Laval réglable d'une lance selon l'invention.
    • Les figures 3a et 3b montrent une vue en plan des points d'impact sur la surface du bain pendant la première et la deuxième moitié d'un cycle.
    • Les figures 4a et 4b montrent une coupe AA à travers le dispositif modulateur au moment t o et un demi-cycle plus tard.
  • Comme il apparait sur les figures 1 et 2, la lance de soufflage (1) selon l'invention comprend un corps de lance (2) soudé à une tête de soufflage (3). Le corps de lance (2) comprend un manteau à quatre parois (4, 5, 6 et 7) coaxiales, constitués p.ex. de tubes d'acier soudés, espacées moyennant des entretoises et reliées à la tête de lance (3) pour former un circuit de refroidissement à l'eau (9) entre les parois (4, 5 et 6) et celles de la tête de soufflage (3).
  • La suspension de la lance ainsi que ses sources d'alimentation en fluide, oxygène, azote et eaux de refroidissement n'ont pas été montrées sur les figures 1 et 2, étant donné qu'elles ne font pas partie de l'objet de la présente invention.
  • La paroi intérieure (7) du corps de lance (2) forme une chambre annulaire (10) traversée le long de son axe a-a' par une tige de support (11), coaxiale à l'axe a-a' et servant de support pour un ensemble faisant partie d'une tuyère Laval (12). La tige de support (11) est formée de préférence par un tube qui permet l'installation de connections électriques (non-montrées sur les figures) pour alimenter en courant électrique différents mécanismes de commande qui seront décrits par la suite. Suivant un autre mode d'exécution, la tige de support (11) et la paroi intérieure (7) peuvent elles-mêmes faire fonction de conducteurs pour l'alimentation en courant électrique desdits mécanismes de commande.
  • L'ensemble faisant partie de la tuyère Laval (12) comprend un corps de translation (13) attaché à la tige de support (11) par l'intermédiaire d'un mécanisme de commande composé par un servomoteur linéaire (14) et une gaine cylindrique (15) dans laquelle le corps de translation (13) peut se déplacer dans le sens de l'axe a-a' de la lance de soufflage (1). Ainsi qu'il ressort de la figure 2, l'extrémité du corps de translation (13) a la forme d'une sorte d'aiguille dont le profil épouse une courbe de transition continue aérodynamique, afin de réduire à un minimum la création de turbulences dans le flux du gaz d'affinage.
  • A l'intérieur de la paroi (7) du manteau du corps de lance (2) est aménagé un conduit coaxial (16) pour le gaz d'affinage, c'est-à-dire l'oxygène primaire. A l'endroit du corps de translation (13), le conduit coaxial (16) comporte une partie (17), composée d'un convergent et d'un col qui se prolonge en un conduit cylindrique. Le convergent et le col fixes forment ensemble avec l'aiguille du corps de translation (13) une tuyère Laval réglable (12), dont les caractéristiques ou paramètres peuvent être modifiés par le déplacement du corps de translation (13) dans le sens de l'axe a-a'. Cette tuyère Laval permet de contrôler le débit du gaz d'affinage indépendamment de la vitesse supersonique que le jet de gaz d'affinage prendra en quittant la tuyère Laval (12) en se déversant en direction axiale a-a' dans le prolongement cylindrique de la partie (17) du conduit (16).
  • Le fonctionnement de la tuyère de Laval réglable (12) est décrit plus en détail dans le brevet luxembourgeois No 87 353 dont la description est incorporée à celle de la présente demande de brevet.
  • En aval de la partie (17) du conduit (16) du gaz d'affinage, la lance de soufflage (1) comprend, selon la présente invention, un dispositif modulateur (18) (voir figure 1) aménagé centralement dans le flux supersonique du gaz d'affinage.
  • Le dispositif modulateur (18) est situé au-dessus d'une pièce (28) munie de quatre embouchures (29) dont la fonction est de diviser le flux principal supersonique du gaz d'affinage de manière aérodynamiquement correcte en quatre flux super-soniques dont les débits seraient quasi égaux en absence du dispositif modulateur (18).
  • Dans la pièce (28) débouchent quatre tuyères (30) à section constante qui traversent une calotte terminale (32) dans laquelle elles déterminent quatre orifices de sortie (31).
  • Lesdits quatre orifices de sortie (31) sont espacés d'un angle de 90° sur une circonférence dont le centre se situe sur l'axe de la lance. L'axe des tuyères (30) est donc incliné d'un angle α par rapport à l'axe de la lance. Le choix de cet angle α est, entre autres, fonction de la géométrie de la poche et de la hauteur de la tête de lance au-dessus du bain. Généralement α est compris entre 10° et 15°.
  • Le dispositif modulateur (18) est exécuté sous forme d'un rotor, comprenant une partie supérieure cylindrique (19) qui est suspendue à un dispositif de suspension et d'entraînement (20) comprenant un support supérieur (21), ainsi qu'un support inférieur (22). Dans l'exemple d'exécution montré, le support supérieur (21) et le support inférieur (22) du rotor (18) comportent des roulements à billes, dont les boîtiers sont attachés de façon étanche, mais démontable, à la paroi (7) du corps de lance (2). Les moyens de fixation, dont certains sont montrés en détail sur la figure 1, ne sont pas décrits étant donné qu'ils n'ont qu'indirectement trait à la présente invention. Ils doivent être choisis de façon à permettre la réalisation technique de la présente invention et peuvent donc être différents de ceux montrés sur la figure 1 qui ne constituent qu'un mode préféré d'exécution.
  • Un ou plusieurs servomoteurs (23), installés entre la paroi (7) du corps de lance (2) et le conduit (16), servent à conférer un mouvement de rotation au dispositif modulateur (18) dont la vitesse angulaire peut être réglée.
  • Pour ce faire, l'arbre du servomoteur (23) est muni d'un pignon (24) qui attaque une couronne dentée (25) dont est pourvu le dispositif de suspension et d'entraînement (20).
  • Les connections électriques d'alimentation et de commande aux sources extérieures des servomoteurs (14) et (23) sont aménagées entre la paroi (7) et le conduit (16); elles n'ont pas été montrées afin de ne pas surcharger le dessin des figures 1 et 2. Toutefois, il y a lieu de mentionner que, suivant une forme d'exécution particulière, l'espace entre la paroi (7) et le conduit (16) est rempli d un gaz neutre, tel que l'azote, légèrement en surpression par rapport au gaz d'affinage, notamment l'oxygène, traversant le conduit central (17) de la lance d'affinage (1). Cette mesure assure que la pénétration de l'oxygène, pouvant provoquer des ignitions dans les servomoteurs et leur alimentation, est évitée. Afin d'éviter des décharges électriques statiques entre les différents éléments, notamment entre le rotor et les parties fixes, des mesures équipotentielles, telles que le connecteur (26), ont été prévues.
  • Le dispositif modulateur (18) est constitué essentiellement de ladite partie supérieure (19) et d'une partie inférieure qui sont attachées, de façon démontable, l'une à l'autre. La partie supérieure (19), de forme intérieure cylindrique, s'étend sur une certaine distance et sert, entre autres et bien qu'étant en mouvement de rotation, de parcours de stabilisation du jet supersonique du gaz d'affinage.
  • La partie inférieure du dispositif modulateur (18) constitue un obturateur rotatif (35) installé directement en amont des quatre embouchures (29) aménagées dans la pièce (28).
  • Dans la réalisation préférentielle l'obturateur rotatif (35) est constitué d'un tube (36) dans lequel sont fixées deux pièces symétriques (37) à des endroits diamétralement opposés. Le diamètre interne du tube (36) est choisi de façon que la projection de la section interne du tube (36) sur la pièce (28) contienne entièrement les quatre embouchures (29), et que le pourtour de cette projection soit de préférence tangent au pourtour des embouchures (29). La forme des pièces (37) peut être décrite comme étant obtenue en découpant par un plan oblique un cylindre plein, ayant le diamètre intérieur et la hauteur du tube (28). La coupe est effectuée de façon que le plan de coupe soit tangent à une base du cylindre et découpe dans l'autre base du cylindre un segment circulaire d'un angle d'ouverture d'environ 90° (voir figure 4).
  • Cette exécution de l'obturateur rotatif (35) a été retenue pour sa simplicité d'usinage. Elle remplit parfaitement sa fonction malgré que l'opposition de phase entre les deux paires de jets ne soit pas parfaite.
  • Le fonctionnement du modulateur cyclique ainsi que la génération des mouvements dans le bain suivant le principe des couples (source, puits) réversibles peuvent être étudiés à l'aide des figures 3a, 3b et 4a, 4b.
  • L'obturateur (35) mis en rotation par le servomoteur (23) via le cylindre (19) obture à l'instant t o partiellement deux embouchures (29A) diamétralement opposées, et laisse libre accès à deux embouchures (29B) diamétralement opposées et décalées de 90° par rapport aux premières (voir figure 4a). Il s'ensuit que le débit est minimal dans deux tuyères (30A) reliées aux deux embouchures (29A), et maximal dans deux tuyères (30B), reliées aux embouchures (29B) (voir figure 3a). Lors de la demi-rotation qui suit l'instant t o le débit va augmenter dans les deux tuyères (30A) et diminuer dans les deux tuyères (30B).
  • Les zones d'impact des jets (A1, A2) sortant des tuyères (30A) deviennent des sources et les zones d'impact des jets (B1, B2) sortant des tuyères (30B) deviennent des puits (voir figure 3a). Un flux de matière s'établit en conséquence dans le bain en direction des zones sources vers les zones puits.
  • Une demi-rotation après l'instant t o, l'obturateur (35) a obturé au maximum la paire d'embouchures (29B) et complètement libéré l'accès à la paire d'embouchures (29A) (voir figure 4b). Il en résulte que le flux est maintenant maximal dans les tuyères (30A) et minimal dans les tuyères (30B). Lors de la seconde demi-rotation qui ramène l'obturateur (27) dans sa position de départ à l'instant t o, le débit va augmenter dans les deux tuyères (30B) et diminuer dans les deux tuyères (30A). Les zones d'impact des jets (B1, B2) sortant des tuyères (30B) deviennent des sources et les zones d'impact des jets (A1, A2) sortant des tuyères (30A) deviennent des puits. Le flux de matière dans le bain est donc renversé par rapport à la demi-rotation précédente (voir figure 3b).
  • Cette réalisation préférée a entre autres l'avantage que les forces radiales (perpendiculaires à l'axe de la lance), exercées sur la tête de soufflage (3) par les jets qui quittent la lance avec un angle α par rapport à la verticale ont une résultante nulle à chaque moment du cycle. La lance selon la réalisation préférée ne subit donc pas d'efforts latéraux dus aux jets lors de son fonctionnement.
  • Additionnellement la lance peut encore comporter plusieurs tuyères de postcombustion (34) qui sont aménagées sur une circonférence autour des orifices des tuyères de gaz d'affinage primaire. Ces tuyères de postcombustion (34) sont alimentées en oxygène par un flux secondaire de gaz coulant dans l'espace annulaire entre les parois (6) et (7) du manteau de la lance (1).
  • La présente invention met à disposition pour un procédé d'affinage une lance de soufflage qui permet de créer des mouvements dans le bain, favorisant l'afflux de matière vers les points d'impact des jets, et d'accroître sensiblement le brassage du bain liquide en cours d'affinage, sans pour autant créer des situations de surconcentration du gaz oxydant et/ou une surchauffe locale aux points d'impact des jets sur le bain.
  • Elle atteint avec une conception mécanique simple des résultats métallurgiques au moins équivalents aux résultats obtenus avec des lances à jets tournants de construction beaucoup plus compliquée.
  • Comme la calotte (32), qui constitue l'extrémité de la lance faisant face au bain liquide, est intégralement refroidie à l'eau, la tête de soufflage se distingue par une durée de vie élevée.
  • Tous les éléments mobiles sont d'ailleurs installés à l'abri, à l'intérieur de la lance entièrement refroidie à l'eau, et sont ainsi protégés contre l'environnement extrêmement rude qui règne au-dessus du bain métallique.
  • Un autre avantage est que le dispositif modulateur (18) peut être facilement ajouté à une lance existante.
  • Bien que l'invention ait été décrite à base d'un exemple préféré d'exécution, il est parfaitement possible à l'homme de l'art de la réaliser, sur base des présentes indications, pour un nombre de jets supérieurs ou inférieurs à quatre, pour d'autres décalages de cycles entre les différents jets et pour d'autres fonctions débit/temps des cycles.

Claims (11)

  1. Lance de soufflage, en particulier une lance pour l'affinage de métaux par soufflage d'un gaz sur un bain métallique, comprenant une tuyère réglable (12), permettant de créer un flux supersonique de gaz d'affinage à débit et à vitesse ajustables indépendamment, et une tête de soufflage (3) munie d'une calotte frontale (32) dans laquelle débouche un ensemble de tuyères fixes (30) divisant ledit flux supersonique du gaz en jets individuels libres, caractérisée en ce que ladite lance comprend un modulateur cyclique des débits de gaz passant à travers les tuyères fixes (30) et en ce que ledit modulateur cyclique est conçu de façon à obturer progressivement un premier sous-ensemble de tuyères fixes (30) pour le passage du gaz et à libérer simultanément et progressivement un deuxième sous-ensemble de tuyères fixes (30) pour le passage du gaz pendant la première partie d'un cycle de modulation et vice versa pendant la deuxième partie de ce cycle.
  2. Lance de soufflage selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit modulateur cyclique et lesdites tuyères fixes (30) coopèrent à tout moment du cycle de façon à définir une résistance totale à l'écoulement dudit flux de gaz qui soit sensiblement constante pendant toute la durée du cycle.
  3. Lance de soufflage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la lance comporte 2n tuyères (n≧ 2), lesdites tuyères étant agencées de façon à produire 2n jets libres dont les axes définissent tous le même angle avec l'axe longitudinal de la lance et sont espacés entre eux d'un angle de 180/n degrés, et en ce que ledit modulateur cyclique est conçu de façon que, pour deux tuyères successives, le passage à travers l'une de ces deux tuyères soit obture au maximum, lorsque le passage à travers l'autre est obturé au minimum et vice versa.
  4. Lance de soufflage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit modulateur cyclique comprend un obturateur rotatif (35) qui est installé dans le flux supersonique du gaz d'affinage en amont et en juxtaposition directe d'une pièce (28) dans laquelle sont aménagées des embouchures (29) pour lesdites tuyères fixes (30), et en ce que ledit obturateur rotatif (35) est équipé de moyens lui conférant un mouvement de rotation.
  5. Lance de soufflage selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens pour conférer un mouvement de rotation audit obturateur rotatif comprennent un cylindre creux coaxial à l'axe de la lance et supportant à une de ses extrémités ledit obturateur rotatif (35), et un servomoteur s'engrènant avec l'autre extrémité dudit cylindre creux de façon à entraîner ce dernier dans un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal (a-a') de la lance.
  6. Lance de soufflage selon les revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que l'obturateur rotatif (35) est divisé par n/2 plans contenant son axe de rotation en n secteurs angulaires d'un angle de 360/n degrés qui ont une forme géométrique identique ou quasi identique, en ce que la pièce (28) qui comporte les embouchures (29) des tuyères (30) est elle aussi divisée en n secteurs angulaires identiques comportant chacun les embouchures de deux tuyères, en ce que les secteurs de l'obturateur rotatif (35) présentent à leur extrémité faisant face à la pièce (28) une section terminale conçue de façon que l'embouchure d'une des deux tuyères d'un secteur correspondant à la pièce (28) soit plus ou moins obturée par ladite section terminale pour le flux du gaz d'affinage, lorsque l'embouchure de l'autre tuyère du même secteur présente une section entièrement, ou quasi entièrement, libre au flux du gaz d'affinage.
  7. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la tuyère réglable (12) a la forme d'une tuyère Laval conférant une vitesse supersonique au jet de gaz d'affinage et en ce que ladite tuyère Laval comporte des moyens de commande (14) par lesquels les caractéristiques de la tuyère (12) peuvent être variées.
  8. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de commande (14) de la tuyère Laval réglable (12) comprennent un servomoteur.
  9. Lance de soufflage selon les revendications 5 ou 8, caractérisée en ce que les parties électriques des servomoteurs sont enveloppées dans un environnement au gaz neutre légèrement en surpression par rapport au gaz d'affinage.
  10. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la tête de soufflage (3) comporte des tuyères de postcombustion (34) alimentées par un flux secondaire subsonique de gaz.
  11. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par des circuits de refroidissement en eau (9) dans le manteau de la lance (1) et dans la calotte frontale (32) de la tête de soufflage (3) de la lance (1).
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