EP3443132B1 - Nez de lance de soufflage - Google Patents

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EP3443132B1
EP3443132B1 EP17722381.5A EP17722381A EP3443132B1 EP 3443132 B1 EP3443132 B1 EP 3443132B1 EP 17722381 A EP17722381 A EP 17722381A EP 3443132 B1 EP3443132 B1 EP 3443132B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
front wall
advantageously
pillar
lance nozzle
central
Prior art date
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Active
Application number
EP17722381.5A
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German (de)
English (en)
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EP3443132A1 (fr
Inventor
Jean-Philippe Thomas
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.)
Soudobeam SA
Original Assignee
Soudobeam SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soudobeam SA filed Critical Soudobeam SA
Publication of EP3443132A1 publication Critical patent/EP3443132A1/fr
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Publication of EP3443132B1 publication Critical patent/EP3443132B1/fr
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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
    • 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
    • C21C2005/4626—Means for cooling, e.g. by gases, fluids or liquids

Definitions

  • the blowing lance nose as described in the present invention is used, inter alia, in oxygen converters for the manufacture of steel (BOF, Basic Oxygen Furnace).
  • the converters make it possible to obtain steel by injecting gas, preferably containing oxygen, into a liquid iron bath in order to burn the carbon contained therein.
  • the basic principle in the field of oxygen blowing in converters (for example in LD converters (for Linz-Donawitz)) is to propel 3 to 6 jets of oxygen arranged in a crown on a bath of liquid cast iron.
  • the lance which allows the formation of these oxygen jets is then placed at a distance of 1 to 5 m above a bath of molten iron whose temperature can reach 1700 ° C.
  • the temperature of the nose of the lance can then increase rapidly to 400 ° C. and must remain in this environment for approximately 20 minutes.
  • the nose is then removed and returns to room temperature, that is to say 20 ° C.
  • a coolant can circulate along the internal wall facing the bath of the lance nose.
  • a coolant usually water
  • the calories from the metal forming that wall are transferred to the coolant.
  • the temperature of the lance nose is uniform over the entire nose, and no longer particularly high only at the walls exposed to the bath.
  • the documents US4432534 and WO9623082 have, for example, lance noses designed to allow the flow of a coolant at high speed along the internal surface of the front wall, this same front wall has a slight central depression in order to optimize this flow .
  • the document EP0340207 provides for a significant depression in the central area of the lance nose on which are directed secondary jets of coolant causing a swirl in the flow of the liquid.
  • the document WO0222892 attempts to further improve the flow of coolant in the heat exchange space of the lance nose by developing a central depression in the face facing the bath having a well determined ratio between height and base of this depression. This ratio allows the heat exchange space to have a section for the passage of the coolant substantially constant so as to obtain a speed of passage of the coolant through this space which is approximately constant.
  • the document DE102006010287 describes a blowing lance nose used for the production of steel which contains a central pillar connecting the gas supply tube to the front wall exposed to the bath and a cooling system comprising an element for dividing the coolant. Indeed, two parallel flows are obtained between the first and the second walls of this lance nose before recombining in the heat exchange space.
  • the document US2012 / 211929 A1 discloses another example of the known prior art of a blowing lance nose.
  • the diameter of the injector outlet ports tends to increase following the erosion of their edges. This increase in diameter deforms the oxygen jets, which causes, in addition to the destruction of the lance nose, a dispersion of these jets and consequently a reduction in their effectiveness.
  • the carbon oxidation reaction is, in fact, favored by the depth of penetration of the jets into the bath and by the stirring of the latter.
  • the lance noses being placed at a distance of 1 to 5 m above the melt bath, in order to be effective, the jets must have a coherent profile over the longest possible distance. The reaction yield is then reduced when these jets are dispersed because they penetrate less deeply into the melt. The reaction yield in the bath is therefore not optimal and moreover exhibits significant variability during the lifetime of the lance nose.
  • Effective cooling is therefore important for the proper functioning of the lance noses because it has the advantage of increasing the lifetime of the latter but also of guaranteeing better stability of reaction yield throughout their lifetime and this by minimizing erosion at the edges of the duct outlets for the mixing gas of the front wall.
  • such cooling is also very difficult to implement, under the extreme conditions encountered during the use of the lance noses.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the state of the art by providing a lance nose which is simple to manufacture, the lifespan of which is increased and which allows an improved and stable reaction yield throughout the duration of nose life.
  • a lance nose as indicated at the beginning in which the pillar has between said first and second ends a thinned part connected to the central zone which has a predetermined length L1 and a axial section continuously decreasing towards the central zone so that the pillar forms with the central zone of the internal surface of the third front wall a continuous curved surface.
  • continuous curved surface is meant a surface which has a “continuity of curves”, preferably a “continuity of tangents”.
  • tangent continuity is meant, according to the present invention, that, in an axial section of the pillar, the curve of the thinned part of the pillar and the curve of the central zone of the internal surface of the third front wall have tangents equal at their common end, i.e. at their junction (second end of the pillar). Tangents are the first derivatives of curves at their common end.
  • a second degree of “continuity of curves” can possibly be a “continuity of curvatures”, which then means that the radii of curvature of the two curves (thinned part of the pillar and central zone of the internal surface of the third front wall) are equal at their common end, i.e. at their junction (second end of the pillar).
  • the curves of the thinned part of the pillar and of the central zone of the internal surface of the third central wall have the same direction at their junction and also have the same radius at this point.
  • the radii of curvature are the second derivatives of the curves at their common end, that is to say at their junction at the second end of the pillar.
  • This particular geometry allows on the one hand to avoid disturbances and on the other hand to improve the acceleration of the coolant.
  • the thinned part of the pillar forming a continuous curved surface with the central zone of the internal surface of the third front wall makes it possible, on the one hand, to optimize the trajectory of the coolant.
  • the latter arrives from the first annular cavity, runs along the second front wall and converges in the central opening to rotate therein by approximately 180 ° before arriving in the heat exchange space and then leaving through the second cavity.
  • the injectors represent a first obstacle during the passage of the coolant between the first and the second front wall and a second obstacle in the heat exchange space between the second and the third front wall. Given the complexity of this route, it is not easy to avoid turbulence within the coolant. This turbulence can appear, during the first bypassing of the injectors between the first and the second front wall.
  • the present invention therefore proposes to thin the pillar at the central opening so that the coolant which is introduced therein can rotate as gradually as possible. Indeed, when it converges in the central opening, the coolant will go along the thinned part of the pillar to arrive at the level of the continuity of curves with the central zone of the third front wall. This liquid is therefore kept in constant contact with the front wall exposed to high temperatures, thus allowing it to cool effectively.
  • the thinned part of the pillar by virtue of its curved profile in axial section, makes it possible to increase the contact surface between the pillar and the coolant and to bring this liquid into contact with the central part of the third wall. which is most exposed to extreme temperatures.
  • the continuous curved surface between the pillar and the internal surface of the front wall makes it possible to minimize the energy losses.
  • the acceleration of the liquid is therefore maintained in the heat exchange space, which is advantageous for good cooling of the lance nose.
  • This particular curvature of the thinned part of the pillar and of the central zone of the internal surface of the third front wall has, among other advantages, to provide the coolant with the most gradual passage possible at the junction between the pillar and the front wall where the liquid should rotate around 180 ° in the central opening. Maintaining contact between the liquid and the front wall to be cooled is then ensured and the disturbances from the first bypass of the injectors are lessened and the disturbances during the second bypass of the injectors are greatly minimized. Furthermore, the increase in the contact surface between the pillar and the coolant is ensured by this large radius of curvature of this continuous curved surface.
  • the lance noses according to the present invention have an increased service life because the mechanical stresses are greatly reduced.
  • these noses make it possible to obtain high and constant reaction yields throughout the lifetime of the nose thanks to the reduction in erosion of the outlet edges of the injectors.
  • the lance nose according to the present invention has a predetermined outer diameter, D ext and a pillar having a second portion of predetermined length L2 joining said thinned portion and said first end, said second portion having a circular cross section defined by a predetermined diameter D2, constant over the entire length L2, such that the ratio D2 / D ext is between 2% and 30%, advantageously between 4% and 25%, preferably between 4% and 20%, in particular between 6 % and 20%, preferably between 6% and 15%, particularly advantageously between 8% and 15%, advantageously between 10% and 15%.
  • the pillar can be considered to be “solid” in view of the volume it occupies in the lance nose.
  • This massive pillar advantageously made of a material with good thermal conductivity, such as copper, ensures good transfer. calories accumulated in the front wall exposed to the bath to the gas supply tube. This calorie transfer phenomenon is called a "cold sink".
  • the heat transferred by the pillar then diffuses towards the coolant circulating around it and whose heat exchange surface is increased thanks to the thinned part having a curved profile.
  • the heat is, therefore, better distributed within the lance nose which more particularly ensures good cooling of the area most exposed to extreme temperatures, namely the center of the third front wall.
  • the lance nose according to this embodiment therefore results in an additional improvement in the cooling of the nose and therefore an increase in the life of the nose and the obtaining of high and constant reaction yields throughout the life of the nose thanks to reduced erosion of the injector outlet edges.
  • said thinned part of the lance nose according to the present invention has a circular cross section defined by a predetermined diameter D1 varying progressively from the value of the predetermined diameter D2 at the junction with said second part, to a value included between 20% and 95%, advantageously between 30% and 90%, preferably between 40% and 85%, preferably between 50% and 80%, in particular between 60% and 80% of D2 at the second end E2.
  • the diameter D1 of the thinned part of the pillar therefore progressively decreases when one moves along the longitudinal axis of the lance nose towards the bath until reaching a minimum value at the second end E2 of the pillar located in the area center of the internal surface of the third front wall.
  • said continuous curved surface between the thinned part I of the pillar and the central zone of the internal surface of the third front wall is characterized by a minimum radius of curvature greater than or equal to 20%, advantageously greater than or equal to 30%, preferably greater than or equal to 40%, in particular greater than or equal to 50%, particularly preferably greater than or equal to 60%, preferably greater than or equal to 70% of said predetermined diameter D2 of said second part.
  • This particular radius of curvature is advantageous for improving the flow of the coolant.
  • the latter is thus kept in contact with the wall exposed to the bath and the turbulence is reduced. This therefore results in an improvement in the cooling of the lance nose.
  • the length L1 is such that the ratio L1 / D ext is between 3 and 50%, advantageously between 5% and 50%, preferably between 7% and 45% , in particular between 9% and 40%, preferably between 11% and 35%, preferably between 13% and 30%, particularly advantageously between 15% and 25%.
  • the length L2 is such that the ratio L2 / L1 is between 100% and 200%, advantageously between 105% and 190%, preferably between 110% and 180%, in particularly between 115% and 170%, preferably between 120% and 165%, particularly advantageously between 125% and 160, advantageously between 130% and 155%, preferably between 135% and 150%.
  • This particular ratio of lengths of the pillar makes it possible to further improve the cooling of the lance nose according to the present invention thanks to the phenomenon of cold wells obtained by the "massive" pillar.
  • the pillar of the lance nose according to the present invention is in one piece.
  • said separator has at the central opening an edge in axial section which is curved such that a height H3 is defined between a front of said edge and said third front wall and that in the heat exchange space a predetermined minimum height H1 is present on the side of said central opening such that the H1 / H3 ratio is between 5% and 80%, advantageously between 5% and 75%, preferably between 5% and 70%, preferably between 5% and 65%, particularly advantageous between 5% and 60%, preferably between 10% and 60%, advantageously between 15% and 60%, preferably between 20% and 60%, preferably between 25% and 60%, in a particularly advantageous manner between 25% and 55%, preferably between 30% and 55%.
  • this separator having a particular geometry allows, on the one hand, to further optimize the flow of the coolant passing through the central opening where it passes between the pillar and the edge of the separator and on the other hand to accelerate the coolant as it passes through the heat exchange space.
  • the edge of the separator in this particular embodiment, has a complementary shape with the thinned part of the central pillar. This complementary shape between these two elements is particularly advantageous for accompanying the coolant during its rotation of about 180 ° in the central opening, thereby avoiding any turbulence in the liquid and maintaining good contact with the pillar serving as a "cold well" and then with the third front wall.
  • this geometry also allows the acceleration of the coolant before it passes through the heat exchange space.
  • the lance nose according to the present invention is characterized by a distance R2, for the passage of the coolant, taken perpendicular to the longitudinal axis L of the nose, in the central opening, between the front of the separator and the external surface of the thinned part I of the pillar.
  • This passage distance R2 is such that the ratio R2 / H3 is between 20% and 150%, preferably between 30% and 140%, advantageously between 30% and 130%, preferably between 40% and 130%, of particularly way advantageous between 50% and 130%, preferably between 60% and 120%, advantageously between 60% and 110%, reference between 70% and 110%.
  • the invention advantageously further comprises a deflector substantially at the center of said central tube for supplying stirring gas.
  • This deflector makes it possible to appropriately divert the gas leaving the central duct to engage in the outlet conduits.
  • the axes of revolution of the outlet conduits for the stirring gas are oriented obliquely relative to a longitudinal axis of the lance nose.
  • said thinned part I of the pillar has a predetermined minimum diameter D3 at its second end and said central zone has a height h and a base b such that the ratio h / (b-D3) is between 20% and 120%, preferably between 20% and 110%, advantageously between 30% and 110%, preferably between 30% and 100%, in particular between 40% and 100%, particularly advantageously between 40% and 90%, preferably between 45% and 85%, advantageously between 50% and 80%.
  • the heat exchange surface is in this way increased relative to the same surface of the heat front coming from the bath, and this without causing either swirling or cavitation in the liquid.
  • the cross section of the liquid in the heat exchange space is such that the coolant has an adequate speed profile so that the cooling of the front wall exposed to the bath is further improved.
  • the aforementioned elements of the lance nose according to the present invention are produced separately and fixed in mutual connection zone by high energy welding, preferably an electron beam welding.
  • the aforementioned nose is made of several nose elements each consisting of a material chosen according to the function to be fulfilled. These elements are then fixed together by high energy welding, preferably by electron beam. This type of welding provides easily achievable copper-steel junctions and having good liquid tightness, despite the fatigue stresses due to the successive thermal cycles to which the nose is subjected.
  • the third front wall and the pillar of the lance nose according to the present invention can be made of wrought copper which provides better thermal conductivity than cast copper.
  • the figure 1 illustrates the third front wall 12 of the lance nose 1 which faces the bath.
  • the lance nose 1 has six gas outlet orifices 13 placed in a ring around a central zone 14 of the third front wall 12.
  • the figure 2 represents the lance nose according to the present invention in which the gas is supplied by the central tube 2.
  • This central tube 2 is closed by a front wall 3 directed towards the bath and provided with openings 4.
  • An internal tube 5 is arranged coaxially around the central tube 2 so as to form between them an annular cavity 6 serving for the supply of coolant in the direction of the arrow F 1 .
  • This internal tube 5 is terminated by a front wall 7 which is called a separator.
  • This front wall 7 is provided with a central opening 8 and an orifice 9 in alignment with each opening 4 in the central tube 2.
  • An external tube 10 is arranged coaxially around the internal tube 5.
  • This external tube forms with the internal tube 5 an annular cavity 11 which serves for the outlet of the coolant in the direction of the arrow F 2 .
  • This external tube is closed by a front wall 12 which faces the brewing bath.
  • the internal surface 30 of the third front wall 12 is provided with a central zone 14.
  • the front wall 12 is also provided with an outlet orifice 13 in alignment with each opening 4 provided in the front wall 3 and with each through orifice 9 provided in the front wall 7.
  • an outlet conduit 17 for the ejection of stirring gas outside the lance nose.
  • the axes of revolution m of these conduits 17 are advantageously directed obliquely to the longitudinal axis L of the lance nose.
  • the cooling of the front wall 12 is ensured by the circulation of the coolant in the heat exchange space 16 which is located between the separator 7 and the internal surface 30 of the front wall 12.
  • the cooling water coming from the cavity 6 passes through the central opening 8 in the heat exchange zone 16 according to the arrow F 3 . There, it flows in the direction of arrow F 2 outward, that is to say towards the cavity 11.
  • the spear nose shown on the figure 4 has a pillar 22 having a first end E1 on the side of the first front wall 3 and a second end E2 connected to the central zone 14 of the internal surface 30 of the third front wall 12.
  • the pillar according to the present invention shown in detail on the Figure 4 has a thinned part I which makes it possible to form a continuous curved surface with the central zone 14 of the internal surface 30 of the third front wall 12.
  • the coolant coming from the first annular cavity 6 along the arrow F 1 runs along the upper face of the separator 7 where it must bypass the injectors 17 for the first time before converging on the central opening 8.
  • the pillar 22 present at the center of this central opening 8 then makes it possible to "calm” the coolant and to guide it towards the internal surface 30 of the third front wall 12 where the thinned part I of the pillar 22 ensures the passage of the liquid between the pillar 22 and the edge of the separator 7, along arrow F 3 .
  • the junction of the third front wall 12 with the pillar 22 has a continuous curved surface ensuring progressive rotation of the liquid according to arrow F 3 .
  • the coolant the disturbances of which are lessened, then arrives in the heat exchange space 16.
  • the coolant can then calmly bypass the injectors 17 in the heat exchange space before emerging from the nose through the second cavity annular 11 along arrow F 2 .
  • the calories accumulated in the front wall 12 exposed to the liquid iron bath are transferred to the pillar 22 whose contact surface with the coolant is increased thanks to its curved thinned part I.
  • the pillar 22 advantageously has a second part II of predetermined length L2 joining said thinned part I and said first end E1, said second part II having a circular cross section defined by a predetermined diameter D2, constant over the entire length L2 , such that the D2 / D ext ratio is reference between 10% and 15%.
  • the outer diameter D ext of the lance nose 1 according to the present invention corresponds to the diameter measured between the external surfaces of the external tube 10.
  • the volume occupied by the pillar 22 in the lance nose is large, which makes it possible to create what is called a "cold well".
  • the pillar 22 being advantageously made of a material of good thermal conductivity, the heat coming from the bath and transmitted to the third front wall 12 and to its central zone 14, can then be led by the pillar 22 towards the internal parts of the nose.
  • the cooling liquid circulating around this pillar 22 ensures constant capture of the heat from the third front wall 12.
  • the parts most exposed to the bath namely the third front wall and the pillar, can be made of wrought copper which provides better thermal conductivity than cast copper.
  • the first part I of the pillar 22 is also characterized by a predetermined length L1 measured, along the longitudinal axis L of the lance nose, such that the ratio L2 / L1 is preferably between 135% and 150%.
  • the first thinned part I is further characterized by a predetermined diameter D1 which gradually varies from the diameter D2 at the junction with the second part II to a value preferably between 20% and 95% of D2 at the second end E2 of the pillar 22.
  • the diameter D1 of the thinned part I of the pillar 22 therefore gradually decreases when one moves along the longitudinal axis L of the lance nose towards the bath until reaching a minimum value, then called D3, at the second end E2 of the pillar located on the central zone 14 of the internal surface 30 of the third front wall 12.
  • the second end E2 therefore corresponds to the section of minimum diameter D3 of the thinned part I of the pillar 22.
  • This section of minimum diameter D3 of the thinned part I of the pillar 22 is connected to the central zone 14 of the internal wall 30 of the third front wall 12.
  • the thinned part I also has a predetermined length L1 measured along the longitudinal axis L of the lance nose between the junction with the second part II and the second end E2 of the pillar, where the diameter of the pillar is minimum and is then called D3.
  • L1 / D ext is between 15% and 25%.
  • the continuous curved surface between the thinned part I of the pillar 22 and the central zone 14 of the internal surface 30 of the third front wall 12 is preferably characterized by a radius of curvature greater than or equal to 30% of the diameter D2 of the second part Pillar II II.
  • the pillar 22 is in one piece.
  • the separator 7 has at the central opening 8 an edge 18 in axial section which is curved such that a height H3 is defined between a front 21 of said edge 18 and said internal surface 30 of the third front wall 12 and that in the 'heat exchange space 16 a predetermined minimum height H1 is present on the side of said central opening 8.
  • a minimum diameter of the central opening 8 can then be measured from the front 21 of the separator.
  • the tangent passing through this front 21 makes it possible to measure the smallest diameter that can be measured in the central opening 8.
  • the height taken along the tangent passing through the front 21 and parallel to the longitudinal axis L of the lance nose and measured between said front 21 and the third front wall 12 corresponds to the height H3, as indicated on the figure 4 .
  • the separator 7 is substantially planar and substantially parallel to the third front wall 12.
  • the curvature 20 of the edge 18 of the separator 7 has the advantage of accompanying the coolant when it converges in the central opening 8.
  • the coolant with reduced disturbance and cavitation phenomenon can then calmly enter the heat exchange space 16 before to come out of the nose through the second annular cavity 11 according to arrow F 2 .
  • the height H1 is itself measured, parallel to the axis of revolution m of the injector 17, between the surface facing the bath of the separator and the internal surface 30 of the third front wall 12, on the side of the opening central 8.
  • This height H1 defines a minimum passage section for the coolant in the heat exchange space 16 at the central opening 8.
  • H1 is the minimum height of the water passage along the internal surface 30 of the third front wall 12, in the heat exchange space 16.
  • passage section is meant , according to the present invention, a section taken perpendicular to the direction of flow of the coolant.
  • the H1 / H3 ratio is between 5% and 80%, advantageously between 10% and 60%, preferably between 30% and 50%.
  • the separator 7 has on its edge 18 a thickness e1 so that the ratio e1 / D ext is preferably between 7% and 15%.
  • a thickness of the separator 7 is measured between the surface facing the first front wall and the surface facing the third front wall of the separator 7.
  • the thickness e1 of the edge 18 of the separator 7 is therefore measured parallel to the axis of revolution m of the injector 17, in continuity with the minimum height H1 of the heat exchange space 16 at the central opening 8
  • This thickness e1 allows the separator to occupy a substantial volume in the lance nose and allows in combination with the curvature 20 of the edge 18 to maintain a flow with reduced disturbance and allowing good acceleration of the coolant.
  • the surface facing the bath of the separator 7 is substantially sinusoidal. This means that the surface facing the bath of the separator 7 has a minimum thickness substantially in its center. Consequently, the heat exchange space 16 has, in addition to a height H1 at the central opening 8, a maximum height H max substantially at the center of the separator 7. This maximum height has, among other things, as a consequence of reducing the losses during the second bypass of the injectors 17 in the heat exchange space 16. before it passes through the second annular cavity 11.
  • a deflector 24 can be placed in the center of the stirring gas supply tube 2. This deflector 24 makes it possible to appropriately divert the oxygen leaving the central pipe 2 to engage in the outlet pipes 17.
  • the figure 5 represents a detail of the central zone 14 of the internal surface 30 of the third front wall 12 in order to explain how to measure the parameters relating to this central zone 14.
  • this central zone 14 can have a height h measured between the tangent plane 32 of the internal surface 30 of the third front wall of the lance nose perpendicular to the longitudinal axis L and the plane 31 perpendicular to the longitudinal axis L passing through the minimum diameter section D3 of the thinned portion I of the pillar 22.
  • the base b is located in the tangent plane 32 of the internal surface 30 of the third front wall. It is circumscribed by the points of intersection 33 with the extension of the internal surface 30 of the third front wall 12.
  • the nose according to the present invention has an h / (b-D3) ratio of between 50% and 80%.
  • the figure 5 also represents the distance R2 for the passage of the coolant taken perpendicular to the longitudinal axis L of the nose between the front 21 of the separator and the external surface of the thinned part I of the pillar 22.
  • This passage section is such that the ratio R2 / H3 is preferably between 70% and 110%.

Description

  • La présente invention se rapporte à un nez de lance de soufflage, destinée au brassage de bains, comprenant
    • un tube central d'alimentation en gaz de brassage, fermé à une extrémité tournée vers le bain par une première paroi frontale pourvue d'au moins deux ouvertures,
    • un tube interne formant avec le tube central une première cavité annulaire pour le passage d'un liquide de refroidissement et terminé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale, appelée séparateur, présentant une ouverture centrale et un orifice de passage par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale,
    • un tube externe formant avec le tube interne une deuxième cavité annulaire pour le passage du liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une troisième paroi frontale présentant un orifice de sortie par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale et présentant une surface interne comprenant une zone centrale,
    • un espace d'échange thermique qui est situé entre, d'une part, ladite deuxième paroi frontale et ladite surface interne de la troisième paroi frontale et d'autre part, ladite ouverture centrale et ladite deuxième cavité annulaire, et dans lequel s'écoule le liquide de refroidissement, et
    • un conduit de sortie pour le gaz de brassage, appelé injcteur, partant de chaque ouverture dans ladite première paroi frontale et allant jusqu'audit orifice de sortie correspondant en passant par ledit orifice de passage correspondant d'une manière étanche au liquide de refroidissement,
    • un pilier comprenant une première extrémité située à l'opposé du bain et une deuxième extrémité tournée vers le bain reliée à la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale.
  • Le nez de lance de soufflage tel que décrit dans la présente invention est utilisé, entre autres, dans les convertisseurs à oxygène pour la fabrication de l'acier (BOF, Basic Oxygen Furnace). Les convertisseurs permettent d'obtenir de l'acier en injectant du gaz, contenant préférentiellement de l'oxygène, dans un bain de fonte liquide afin de brûler le carbone contenu dans celle-ci. Le principe de base dans le domaine du soufflage d'oxygène dans les convertisseurs (par exemple dans les convertisseurs LD (pour Linz-Donawitz)) est de propulser 3 à 6 jets d'oxygène disposés en couronne sur un bain de fonte liquide. La lance qui permet la formation de ces jets d'oxygène est alors placée à une distance de 1 à 5 m au-dessus d'un bain de fonte en fusion dont la température peut atteindre 1700 °C.
  • La température du nez de la lance peut alors croître rapidement jusqu'à 400 °C et devoir rester dans cet environnement durant environ 20 minutes. Le nez est alors retiré et revient à la température ambiante, c'est-à-dire 20 °C. Ces contraintes endommagent les nez de lance utilisés pour les bains de convertisseurs d'aciérie et typiquement, la durée de vie de ceux-ci est réduite suite aux importantes sollicitations auxquelles ils sont soumis, pendant un nombre significatif d'utilisations successives. La fréquence de remplacement du nez est dès lors augmentée et il est nécessaire d'interrompre fréquemment le processus de production pour cause de maintenance ou de remplacement du nez.
  • Pour améliorer le refroidissement des nez de lance, des espaces d'échange thermique ont été développés afin qu'un liquide de refroidissement puisse circuler le long de la paroi interne tournée vers le bain du nez de lance. Lorsqu'un liquide de refroidissement, généralement de l'eau, circule le long de la surface interne de la paroi frontale, les calories du métal formant cette paroi sont transférées au liquide de refroidissement. De cette manière, la température du nez de lance est uniformisée sur l'entièreté du nez, et non plus particulière élevée uniquement au niveau des parois exposées au bain.
  • Une mauvaise circulation du liquide de refroidissement peut également engendrer une élévation locale de la température du liquide de refroidissement. En conséquence, localement le liquide peut passer en phase vapeur sous la contrainte thermique. Il en résulte la formation de cavités remplies de gaz piégées au sein du liquide de refroidissement. Cette formation de cavités gazeuses dans un liquide est connue sous le nom de phénomène de cavitation. Ces phénomènes de cavitation provoquent alors une diminution de l'efficacité du refroidissement de la paroi frontale étant donné que l'échange thermique entre une phase gazeuse et une phase solide est beaucoup moins bon qu'entre une phase liquide et une phase solide. Si le refroidissement n'est pas uniforme sur toute la paroi exposée aux variations thermiques, des tensions mécaniques apparaissent entre les différentes zones de cette paroi. Cette répartition inhomogène de la température engendre, en conséquence, une diminution de la longévité du nez de lance. En effet, ce dernier présente, après quelques cycles de fonctionnement, des dérèglements qui limitent considérablement sa durée de vie.
  • C'est pourquoi, les documents US4432534 et WO9623082 présentent, par exemple, des nez de lance conçus pour permettre l'écoulement d'un liquide de refroidissement à grande vitesse le long de la surface interne de la paroi frontale, cette même paroi frontale présente une légère dépression centrale afin d'optimiser cet écoulement.
  • Le document EP0340207 prévoit quant à lui une dépression importante dans la zone centrale du nez de lance sur laquelle sont dirigés des jets secondaires de liquide de refroidissement provoquant un tourbillonnement dans l'écoulement du liquide.
  • Le document WO0222892 tente d'améliorer davantage l'écoulement du liquide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique du nez de lance en développant une dépression centrale dans la face tournée vers le bain ayant un rapport bien déterminé entre hauteur et base de cette dépression. Ce rapport permet à l'espace d'échange thermique d'avoir une section pour le passage du liquide de refroidissement sensiblement constante de manière à obtenir une vitesse de passage du liquide de refroidissement à travers cet espace qui soit approximativement constante.
  • Le document DE102006010287 décrit un nez de lance de soufflage utilisé pour la production d'acier qui contient un pilier central reliant le tube d'alimentation en gaz à la paroi frontale exposée au bain et un système de refroidissement comprenant un élément permettant de diviser le liquide de refroidissement. En effet, deux flux parallèles sont obtenus entre la première et la deuxième parois de ce nez de lance avant de se recombiner dans l'espace d'échange thermique. Le document US2012/211929 A1 divulgue un autre exemple de l'art antérieur connu d'un nez de lance de soufflage.
  • Bien que les documents décrits ci-dessus contribuent à l'amélioration de la technique de refroidissement des nez, malheureusement, ils ne présentent toujours pas une durée de vie suffisante et n'assurent pas un rendement de réaction dans le bain qui soit stable tout au long de cette durée de vie.
  • Lorsque le refroidissement des nez de lance n'est pas efficace, outre l'apparition des tensions mécaniques, il a également été constaté qu'un phénomène d'érosion de la paroi frontale apparait en périphérie des orifices de sortie des conduits pour le gaz de brassage.
  • Dans la suite de la description, l'expression « conduit de sortie de gaz de brassage » sera, pour des raisons de simplicité, exprimé parfois seulement par le terme injecteur.
  • Le diamètre des orifices de sortie des injecteurs tend à augmenter suite à l'érosion des bords de ceux-ci. Cette augmentation de diamètre déforme les jets d'oxygène, ce qui provoque, en plus de la destruction du nez de lance, une dispersion de ces jets et en conséquence une diminution de l'efficacité de ceux-ci. La réaction d'oxydation du carbone est, en effet, favorisée par la profondeur de pénétration des jets dans le bain et par le brassage de celui-ci. Les nez de lance étant placés à une distance de 1 à 5 m au-dessus du bain de fonte, afin d'être efficaces, les jets doivent présenter un profil cohérent sur une distance la plus longue possible. Le rendement de réaction est alors diminué lorsque ces jets sont dispersés car ils pénètrent moins profondément dans le bain de fonte. Le rendement de réaction dans le bain n'est, dès lors, pas optimal et présente de surcroit une variabilité importante au cours de la durée de vie du nez de lance.
  • Un refroidissement efficace est donc important pour le bon fonctionnement des nez de lance car il a comme avantage d'augmenter la durée de vie de ceux-ci mais également de garantir une meilleure stabilité de rendement de réaction tout au long de leur durée de vie et ce en minimisant l'érosion au niveau des bords des sorties de conduits pour le gaz de brassage de la paroi frontale. Seulement, un tel refroidissement est aussi très difficile à mettre en œuvre, dans les conditions extrêmes rencontrées pendant l'utilisation des nez de lance.
  • La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en procurant un nez de lance simple à fabriquer dont la durée de vie est augmentée et qui permet un rendement de réaction amélioré et stable tout au long de la durée de vie du nez.
  • Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l'invention, un nez de lance tel qu'indiqué au début dans lequel le pilier présente entre lesdites première et deuxième extrémités une partie amincie reliée à la zone centrale qui présente une longueur prédéterminée L1 et une section axiale décroissant de manière continue vers la zone centrale de manière que le pilier forme avec la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale une surface incurvée continue.
  • Selon la présente invention par les termes « surface incurvée continue », on entend une surface qui présente une « continuité de courbes », de préférence une « continuité des tangentes ».
  • Par les termes « continuité des tangentes», on entend, selon la présente invention, que, dans une coupe axiale du pilier, la courbe de la partie amincie du pilier et la courbe de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale possèdent des tangentes égales au niveau de leur extrémité commune, c'est-à-dire au niveau de leur jonction (deuxième extrémité du pilier). Les tangentes sont les dérivées premières des courbes en leur extrémité commune.
  • Un deuxième degré de « continuité de courbes » peut être éventuellement une « continuité de courbures », ce qui signifie alors que les rayons de courbures des deux courbes (partie amincie du pilier et zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale) sont égaux au niveau de leur extrémité commune, c'est-à-dire au niveau de leur jonction (deuxième extrémité du pilier). En d'autres termes, les courbes de la partie amincie du pilier et de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi centrale ont la même direction au niveau de leur jonction et ont également le même rayon en ce point. Les rayons de courbures sont les dérivées secondes des courbes en leur extrémité commune, c'est-à-dire au niveau de leur jonction à la deuxième extrémité du pilier.
  • Cette géométrie particulière permet d'une part d'éviter les perturbations et d'autre part d'améliorer l'accélération du liquide de refroidissement.
  • La partie amincie du pilier formant une surface incurvée continue avec la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale permet, d'une part, d'optimiser la trajectoire du liquide de refroidissement. Ce dernier arrive de la première cavité annulaire, longe la deuxième paroi frontale et converge dans l'ouverture centrale pour y effectuer une rotation d'environ 180° avant d'arriver dans l'espace d'échange thermique pour ensuite sortir par la deuxième cavité annulaire. Les injecteurs représentent un premier obstacle lors du passage du liquide de refroidissement entre la première et la deuxième paroi frontale et un deuxième obstacle dans l'espace d'échange thermique entre la deuxième et la troisième paroi frontale. Etant donné la complexité de ce parcours, il n'est pas évident d'éviter les turbulences au sein du liquide de refroidissement. Ces turbulences peuvent apparaître, lors du premier contournement des injecteurs entre la première et la deuxième paroi frontale. Ensuite, des turbulences peuvent encore être observées dans l'ouverture centrale où le liquide de refroidissement provenant de la périphérie du nez (première cavité annulaire) plonge vers l'espace d'échange thermique. Le centre de l'ouverture centrale peut alors être un lieu de collision dans le liquide résultant, dès lors, en la formation de turbulences dans l'écoulement de ce liquide.
  • Il y a donc lieu d'optimiser la trajectoire du liquide de refroidissement pour « tranquilliser » ce liquide après le premier contournement des injecteurs entre la première et la deuxième paroi frontale avant qu'il n'arrive dans l'espace d'échange thermique.
  • La présente invention propose donc d'amincir le pilier au niveau de l'ouverture centrale afin que le liquide de refroidissement qui s'y introduit puisse effectuer une rotation la plus progressive possible. En effet, lorsqu'il converge dans l'ouverture centrale, le liquide de refroidissement va longer la partie amincie du pilier pour arriver au niveau de la continuité de courbes avec la zone centrale de la troisième paroi frontale. Ce liquide est dès lors maintenu en contact constant avec la paroi frontale exposée aux températures élevées, permettant ainsi de la refroidir efficacement.
  • De plus, la partie amincie du pilier, de par son profil courbe en section axiale, permet d'augmenter la surface de contact entre le pilier et le liquide de refroidissement et d'amener ce liquide en contact avec la partie centrale de la troisième paroi frontale qui est la plus exposée aux températures extrêmes.
  • D'autre part, la surface incurvée continue entre le pilier et la surface interne de la paroi frontale permet de minimiser les pertes d'énergie. L'accélération du liquide est en conséquence maintenue dans l'espace d'échange thermique, ce qui est avantageux pour un bon refroidissement du nez de lance. Cette courbure particulière de la partie amincie du pilier et de la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale a, entre autres, comme avantage, de procurer au liquide de refroidissement un passage le plus progressif possible à la jonction entre le pilier et la paroi frontale où le liquide doit effectuer une rotation d'environ 180° dans l'ouverture centrale. Le maintien du contact entre le liquide et la paroi frontale à refroidir est alors assuré et les perturbations issues du premier contournement des injecteurs sont amoindries et les perturbations lors du second contournement des injecteurs sont fortement minimisées. Par ailleurs, l'augmentation de la surface de contact entre le pilier et le liquide refroidissement est assurée par ce rayon de courbure important de cette surface incurvée continue.
  • D'autre part, il a été montré qu'avec cette surface incurvée continue, le liquide de refroidissement est accéléré avant son entrée dans l'espace d'échange thermique.
  • Il a été montré que les nez de lance selon la présente invention, grâce à leur système de refroidissement optimisé, possèdent une durée de vie augmentée car les contraintes mécaniques sont fortement réduites. De plus, ces nez permettent d'obtenir des rendements de réaction élevés et constants tout au long de la durée de vie du nez grâce à la diminution de l'érosion des bords de sortie des injecteurs.
  • Avantageusement, le nez de lance selon la présente invention présente un diamètre extérieur, Dext, prédéterminé et un pilier présentant une deuxième partie de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie et ladite première extrémité, ladite deuxième partie présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D2, constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est compris entre 2 % et 30 %, avantageusement entre 4 % et 25 %, de manière préférentielle entre 4 % et 20 %, en particulier entre 6 % et 20 %, de préférence entre 6 % et 15 %, de manière particulièrement avantageuse entre 8 % et 15 %, avantageusement entre 10 % et 15 %.
  • Dans cette forme de réalisation particulière du nez de lance selon la présente invention, étant donné son diamètre, le pilier peut être considéré comme étant « massif » au vu du volume qu'il occupe dans le nez de lance. Ce pilier massif avantageusement constitué d'un matériau de bonne conductivité thermique, tel que le cuivre, permet d'assurer un bon transfert des calories accumulées dans la paroi frontale exposée au bain vers le tube d'alimentation en gaz. Ce phénomène de transfert des calories est appelé « puits froid ». La chaleur transférée par le pilier diffuse alors vers le liquide de refroidissement circulant autour de celui-ci et dont la surface d'échange thermique est augmentée grâce à la partie amincie présentant un profil courbe. La chaleur est, de ce fait, mieux répartie au sein du nez de lance ce qui assure plus particulièrement un bon refroidissement de la zone la plus exposée aux températures extrêmes, à savoir le centre de la troisième paroi frontale. Le nez de lance selon cette forme de réalisation résulte donc en une amélioration supplémentaire du refroidissement du nez et donc une augmentation de la durée de vie du nez et l'obtention de rendements de réaction élevés et constants tout au long de la durée de vie du nez grâce à la diminution de l'érosion des bords de sortie des injecteurs.
  • Dans une forme de réalisation particulière, ladite partie amincie du nez de lance selon la présente invention présente une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D1 variant progressivement de la valeur du diamètre prédéterminé D2 à la jonction avec ladite deuxième partie, à une valeur comprise entre 20 % et 95 %, avantageusement entre 30 % et 90 %, de manière préférentielle entre 40 % et 85 %, de préférence entre 50 % et 80%, en particulier entre 60 % et 80 % de D2 à la deuxième extrémité E2.
  • Le diamètre D1 de la partie amincie du pilier diminue donc progressivement lorsque l'on se déplace le long de l'axe longitudinal du nez de lance vers le bain jusqu'à atteindre une valeur minimum à la deuxième extrémité E2 du pilier située sur la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale.
  • De préférence, ladite surface incurvée continue entre la partie amincie I du pilier et la zone centrale de la surface interne de la troisième paroi frontale est caractérisée par un rayon de courbure minimum supérieur ou égal à 20 %, avantageusement supérieur ou égal à 30 %, de manière préférentielle supérieur ou égal à 40 %, en particulier supérieur ou égal à 50 %, de façon particulièrement préférentielle supérieur ou égal à 60 %, de préférence supérieur ou égal à 70 % dudit diamètre prédéterminé D2 de ladite deuxième partie.
  • Ce rayon de courbure particulier est avantageux pour l'amélioration de l'écoulement du liquide de refroidissement. Ce dernier est ainsi maintenu en contact avec la paroi exposée au bain et les turbulences sont réduites. Il en résulte dès lors une amélioration du refroidissement du nez de lance.
  • De préférence, dans le nez de lance selon la présente invention, la longueur L1 est telle que le rapport L1/ Dext est compris entre 3 et 50 %, avantageusement entre 5 % et 50 %, de manière préférentielle entre 7 % et 45 %, en particulier entre 9 % et 40 %, de préférence entre 11 % et 35 %, de préférence entre 13 % et 30 %, de manière particulièrement avantageuse entre 15 % et 25 %.
  • De plus, dans une forme de réalisation particulière, la longueur L2 est telle que le rapport L2/L1 est compris entre 100 % et 200 %, avantageusement compris entre 105 % et 190 %, de manière préférentielle entre 110 % et 180 %, en particulier entre 115 % et 170 %, de préférence entre 120 % et 165 %, de manière particulièrement avantageuse entre 125 % et 160, avantageusement entre 130 % et 155 %, de préférence entre 135 % et 150 %.
  • Ce rapport particulier de longueurs du pilier permet d'améliorer davantage le refroidissement du nez de lance selon la présente invention grâce au phénomène de puits froid obtenu par le pilier « massif ».
  • Dans une forme de réalisation particulière, le pilier du nez de lance selon la présente invention est monobloc.
  • De préférence, dans le nez de lance selon la présente invention, ledit séparateur présente à l'ouverture centrale un bord en section axiale qui est incurvé tel qu'une hauteur H3 est définie entre un front dudit bord et ladite troisième paroi frontale et que dans l'espace d'échange thermique une hauteur minimum prédéterminée H1 est présente du côté de ladite ouverture centrale tel que le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80 %, avantageusement entre 5 % et 75 %, de préférence compris entre 5 % et 70 %, de manière préférentielle compris entre 5 % et 65 %, de manière particulièrement avantageuse entre 5 % et 60 %, de préférence entre 10 % et 60 %, avantageusement entre 15 % et 60 %, de préférence compris entre 20 % et 60 %, de manière préférentielle compris entre 25 % et 60 %, de manière particulièrement avantageuse entre 25 % et 55 %, de préférence entre 30 % et 55 %.
  • La présence de ce séparateur présentant une géométrie particulière permet, d'une part, d'optimiser davantage l'écoulement du liquide de refroidissement traversant l'ouverture centrale où il passe entre le pilier et le bord du séparateur et d'autre part d'accélérer le liquide de refroidissement lors de son passage dans l'espace d'échange thermique. En effet, le bord du séparateur, dans cette forme de réalisation particulière, présente une complémentarité de forme avec la partie amincie du pilier central. Cette complémentarité de forme entre ces deux éléments est particulièrement avantageuse pour l'accompagnement du liquide de refroidissement lors de sa rotation d'environ 180° dans l'ouverture centrale permettant ainsi d'éviter toute turbulence dans le liquide et de maintenir un bon contact avec le pilier servant de « puits froid » et ensuite avec la troisième paroi frontale. Par ailleurs, cette géométrie permet aussi l'accélération du liquide de refroidissement avant son passage dans l'espace d'échange thermique.
  • De préférence, le nez de lance selon la présente invention est caractérisé par une distance R2, pour le passage du liquide de refroidissement, prise perpendiculairement à l'axe longitudinal L du nez, dans l'ouverture centrale, entre le front du séparateur et la surface externe de la partie amincie I du pilier. Cette distance de passage R2 est telle que le rapport R2/H3 est compris entre 20% et 150%, de préférence entre 30 % et 140 %, avantageusement entre 30 % et 130 %, de manière préférentielle entre 40% et 130 %, de manière particulièrement avantageuse entre 50 % et 130 %, de préférence entre 60 % et 120 %, avantageusement entre 60 % et 110 %, de référence entre 70 % et 110 %.
  • L'invention comprend avantageusement en outre, un déflecteur sensiblement au centre dudit tube central d'alimentation en gaz de brassage.
  • Ce déflecteur permet de dériver de façon appropriée le gaz quittant le conduit central pour s'engager dans les conduits de sortie.
  • De plus, dans une forme de réalisation particulière, les axes de révolution des conduits de sortie pour le gaz de brassage sont orientés en oblique par rapport à un axe longitudinal du nez de lance.
  • Avantageusement, ladite partie amincie I du pilier présente un diamètre minimum prédéterminé D3 à sa deuxième extrémité et ladite zone centrale présente une hauteur h et une base b telles que le rapport h/(b-D3) est compris entre 20 % et 120%, de préférence entre 20 % et 110 %, avantageusement entre 30 % et 110 %, de manière préférentielle entre 30 % et 100 %, en particulier compris entre 40 % et 100 %, de manière particulièrement avantageuse entre 40 % et 90 %, de préférence entre 45 % et 85 %, avantageusement entre 50 %et 80 %.
  • La surface d'échange thermique est de cette manière augmentée par rapport à une même surface du front de chaleur provenant du bain, et cela sans entraîner ni tourbillonnement, ni cavitation dans le liquide. De plus, la section de passage du liquide dans l'espace d'échange thermique est telle que le liquide de refroidissement présente un profil de vitesse adéquat pour que le refroidissement de la paroi frontale exposée au bain soit amélioré davantage.
  • De préférence, les éléments susdits du nez de lance selon la présente invention sont réalisés séparément et fixés en zone de rattachement mutuel par soudage à haute énergie, de préférence un soudage à faisceau d'électrons.
  • Le nez précité est réalisé en plusieurs éléments de nez étant chacun constitué d'un matériau choisi selon la fonction à remplir. Ces éléments sont ensuite fixés entre eux par soudage à haute énergie, de préférence par faisceau d'électrons. Ce type de soudage assure des jonctions cuivre-acier facilement réalisables et présentant une bonne étanchéité au liquide et cela malgré les contraintes de fatigue dues aux cycles thermiques successifs auxquels le nez est soumis.
  • Avantageusement, la troisième paroi frontale et le pilier du nez de lance selon la présente invention peuvent être réalisés en cuivre corroyé qui assure une meilleur conductivité thermique que le cuivre coulé.
  • D'autres formes de dispositif suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
  • D'autres détails et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et en faisant référence aux dessins annexés.
    • La figure 1 est une vue de face d'un nez de lance.
    • La figure 2 illustre une vue en coupe suivant la ligne II-II de la Figure 1, d'une forme de réalisation particulière du nez de lance selon l'invention.
    • La figure 3 représente un détail du pilier d'un nez de lance selon l'invention.
    • La figure 4 représente une forme de réalisation particulière du nez de lance selon la présente invention.
    • La figure 5 représente un détail d'un nez de lance selon l'invention, pour illustrer le mode de mesure des paramètres nécessaires à un mode de réalisation avantageux de l'invention.
  • Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
  • La figure 1 illustre la troisième paroi frontale 12 du nez de lance 1 qui est tournée vers le bain. Selon cette forme de réalisation, le nez de lance 1 présente six orifices de sortie de gaz 13 placés en couronne autour d'une zone centrale 14 de la troisième paroi frontale 12.
  • La figure 2 représente le nez de lance selon la présente invention dans lequel le gaz est alimenté par le tube central 2. Ce tube central 2 est fermé par une paroi frontale 3 dirigée vers le bain et munie d'ouvertures 4.
  • Un tube interne 5 est agencé de manière coaxiale autour du tube central 2 de manière à former entre eux une cavité annulaire 6 servant à l'alimentation en liquide de refroidissement dans le sens de la Flèche F1. Ce tube interne 5 est terminé par une paroi frontale 7 que l'on appelle un séparateur. Cette paroi frontale 7 est pourvue d'une ouverture centrale 8 et d'un orifice 9 dans l'alignement de chaque ouverture 4 dans le tube central 2.
  • Un tube externe 10 est agencé de manière coaxiale autour du tube interne 5. Ce tube externe forme avec le tube interne 5 une cavité annulaire 11 qui sert à la sortie du liquide de refroidissement dans le sens de la flèche F2. Ce tube externe est fermé par une paroi frontale 12 qui fait face au bain à brasser. Comme le montre la figure 2, la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 est pourvue d'une zone centrale 14.
  • La paroi frontale 12 est aussi pourvue d'un orifice de sortie 13 en alignement avec chaque ouverture 4 prévue dans la paroi frontale 3 et avec chaque orifice de passage 9 prévu dans la paroi frontale 7. Dans chacun de ces orifices et ouvertures alignés est agencé un conduit de sortie 17 pour l'éjection de gaz de brassage à l'extérieur du nez de lance. Les axes de révolution m de ces conduits 17 sont avantageusement dirigés en oblique par rapport à l'axe longitudinal L du nez de lance.
  • Le refroidissement de la paroi frontale 12 est assuré par la circulation du liquide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique 16 qui est situé entre le séparateur 7 et la surface interne 30 de la paroi frontale 12. Dans l'exemple de réalisation illustré, l'eau de refroidissement venant de la cavité 6 passe par l'ouverture centrale 8 dans la zone d'échange thermique 16 suivant la flèche F3. Là, elle s'écoule dans le sens de la flèche F2 vers l'extérieur, c'est-à-dire vers la cavité 11.
  • Le nez de lance représenté sur la figure 4 présente un pilier 22 présentant une première extrémité E1 du côté de la première paroi frontale 3 et une deuxième extrémité E2 reliée à la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. Le pilier selon la présente invention représenté en détail sur la Figure 4, présente une partie amincie I qui permet de former une surface incurvée continue avec la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. Le liquide de refroidissement provenant de la première cavité annulaire 6 suivant la flèche F1, longe la face supérieure du séparateur 7 où il doit contourner une première fois les injecteurs 17 avant de converger vers l'ouverture centrale 8. Le pilier 22 présent au centre de cette ouverture centrale 8 permet alors de « tranquilliser » le liquide de refroidissement et de le guider vers la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 où la partie amincie I du pilier 22 assure le passage du liquide entre le pilier 22 et le bord du séparateur 7, suivant la flèche F3. Par ailleurs, la jonction de la troisième paroi frontale 12 avec le pilier 22 présente une surface incurvée continue assurant une rotation progressive du liquide selon la flèche F3. Le liquide de refroidissement dont les perturbations sont amoindries, arrive alors dans l'espace d'échange thermique 16. Le liquide de refroidissement peut alors contourner calmement les injecteurs 17 dans l'espace d'échange thermique avant de ressortir du nez par la deuxième cavité annulaire 11 suivant la flèche F2. Dans cet exemple, les calories accumulées dans la paroi frontale 12 exposée au bain de fonte liquide sont transférées au pilier 22 dont la surface de contact avec le liquide de refroidissement est augmentée grâce à sa partie amincie courbe I.
  • Par ailleurs, le pilier 22, présente avantageusement une deuxième partie II de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie I et ladite première extrémité E1, ladite deuxième partie II présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé D2, constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est de référence compris entre 10 % et 15 %. Le diamètre extérieur Dext du nez de lance 1 selon la présente invention correspond au diamètre mesuré entre les surfaces externes du tube externe 10.
  • Le volume occupé par le pilier 22 dans le nez de lance est important ce qui permet de créer ce qui est appelé un « puits froid ». En effet, le pilier 22 étant avantageusement réalisé en un matériau de bonne conductivité thermique, la chaleur provenant du bain et transmise à la troisième paroi frontale 12 et à sa zone centrale 14, peut alors être conduite par le pilier 22 vers les parties internes du nez. Le liquide de refroidissement circulant autour de ce pilier 22 permet d'assurer un captage constant de la chaleur de la troisième paroi frontale 12. Afin d'optimiser celui-ci, les parties les plus exposées au bain, à savoir la troisième paroi frontale et le pilier, peuvent être réalisées en cuivre corroyé qui assure une meilleur conductivité thermique que le cuivre coulé.
  • La première partie I du pilier 22 est également caractérisée par une longueur prédéterminée L1 mesurée, selon l'axe longitudinal L du nez de lance, telle que le rapport L2/L1 est de préférence compris entre 135 % et 150 %. La première partie amincie I est quant à elle caractérisée, en outre, par un diamètre prédéterminé D1 qui varie progressivement du diamètre D2 à la jonction avec la deuxième partie II à une valeur de préférence comprise entre 20 % et 95 % de D2 à la deuxième extrémité E2 du pilier 22. Le diamètre D1 de la partie amincie I du pilier 22 diminue donc progressivement lorsque l'on se déplace le long de l'axe longitudinal L du nez de lance vers le bain jusqu'à atteindre une valeur minimum, alors appelée D3, à la deuxième extrémité E2 du pilier située sur la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12. La deuxième extrémité E2 correspond donc à la section de diamètre minimum D3 de la partie amincie I du pilier 22. Cette section de diamètre minimum D3 de la partie amincie I du pilier 22 est reliée à la zone centrale 14 de la paroi interne 30 de la troisième paroi frontale 12.
  • La partie amincie I présente également une longueur prédéterminée L1 mesurée le long de l'axe longitudinal L du nez de lance entre la jonction avec la deuxième partie II et la deuxième extrémité E2 du pilier, où le diamètre du pilier est minimum et est alors appelé D3. De préférence le rapport L1/Dext est compris entre 15 % et 25%.
  • La surface incurvée continue entre la partie amincie I du pilier 22 et la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 est de préférence caractérisée par un rayon de courbure supérieur ou égale à 30 % du diamètre D2 de la deuxième partie II du pilier 22.
  • Avantageusement le pilier 22 est monobloc.
  • Dans une forme de réalisation particulière du nez de lance présentée à la figure 4, le séparateur 7 présente à l'ouverture centrale 8 un bord 18 en section axiale qui est incurvé tel qu'une hauteur H3 est définie entre un front 21 dudit bord 18 et ladite surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 et que dans l'espace d'échange thermique 16 une hauteur minimum prédéterminée H1 est présente du côté de ladite ouverture centrale 8. Un diamètre minimum de l'ouverture centrale 8 peut alors être mesuré à partir du front 21 du séparateur. La tangente passant par ce front 21 permet de mesurer le diamètre le plus petit pouvant être mesuré dans l'ouverture centrale 8. La hauteur prise le long de la tangente passant par le front 21 et parallèle à l'axe longitudinal L du nez de lance et mesurée entre ledit front 21 et la troisième paroi frontale 12 correspond à la hauteur H3, telle qu'indiquée sur la figure 4.
  • Dans cette forme de réalisation, le séparateur 7 est sensiblement plan et sensiblement parallèle à la troisième paroi frontale 12.
  • La courbure 20 du bord 18 du séparateur 7 a comme avantage d'accompagner le liquide de refroidissement lors de sa convergence dans l'ouverture centrale 8. De plus, comme le montre la figure 4, il peut exister une complémentarité de forme entre le bord 18 du séparateur 7 et la partie amincie I du pilier central 22. Le liquide de refroidissement à perturbation et phénomène de cavitation réduits peut alors entrer calmement dans l'espace d'échange thermique 16 avant de ressortir du nez par la deuxième cavité annulaire 11 suivant la flèche F2.
  • La hauteur H1 est quant à elle mesurée, parallèlement à l'axe de révolution m de l'injecteur 17, entre la surface tournée vers le bain du séparateur et la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12, du côté de l'ouverture centrale 8. Cette hauteur H1 définit une section de passage minimum pour le liquide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique 16 à l'ouverture centrale 8. En d'autres termes, dans le volume contenu dans le cône passant par les axes de révolution m des injecteurs 17, H1 est la hauteur minimale du passage d'eau le long de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12, dans l'espace d'échange thermique 16. Par « section de passage », on entend, selon la présente invention, une section prise perpendiculairement au sens d'écoulement du liquide de refroidissement. De préférence, le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80 %, avantageusement entre 10 % et 60 % de manière préférentielle entre 30 % et 50%.
  • De préférence, le séparateur 7 présente à son bord 18 une épaisseur e1 de sorte que le rapport e1/Dext est compris de manière préférentielle entre 7 % et 15 %.
  • Généralement, une épaisseur du séparateur 7 est mesurée entre la surface tournée vers la première paroi frontale et la surface tournée vers la troisième paroi frontale du séparateur 7.
  • L'épaisseur e1 du bord 18 du séparateur 7 est donc mesurée parallèlement à l'axe de révolution m de l'injecteur 17, dans la continuité de la hauteur minimum H1 de l'espace d'échange thermique 16 à l'ouverture centrale 8. Cette épaisseur e1 permet au séparateur d'occuper un volume conséquent dans le nez de lance et permet en combinaison avec la courbure 20 du bord 18 de maintenir un écoulement à perturbation réduite et permettant une bonne accélération du liquide de refroidissement.
  • Dans une forme de réalisation particulière du nez de lance représentée sur la figure 4, la surface tournée vers le bain du séparateur 7 est sensiblement sinusoïdale. Ceci signifie que la surface tournée vers le bain du séparateur 7 présente une épaisseur minimum sensiblement en son centre. En conséquence, l'espace d'échange thermique 16 présente outre une hauteur H1 à l'ouverture centrale 8, une hauteur maximum Hmax sensiblement au centre du séparateur 7. Cette hauteur maximum à, entre autres, comme conséquence d'amoindrir les pertes lors du deuxième contournement des injecteurs 17 dans l'espace d'échange thermique 16. avant son passage dans la deuxième cavité annulaire 11.
  • Par ailleurs, un déflecteur 24 peut être placé au centre du tube d'alimentation en gaz de brassage 2. Ce déflecteur 24 permet de dériver de façon appropriée l'oxygène quittant le conduite central 2 pour s'engager dans les conduits de sortie 17.
  • La figure 5 représente un détail de la zone centrale 14 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12 afin d'expliciter la façon de mesurer les paramètres relatifs à cette zone centrale 14. En effet, cette zone centrale 14 peut présenter une hauteur h mesurée entre le plan tangent 32 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale du nez de lance perpendiculaire à l'axe longitudinal L et le plan 31 perpendiculaire à l'axe longitudinal L passant par la section de diamètre minimum D3 de la parte amincie I du pilier 22.
  • La base b est située dans le plan tangent 32 de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale. Elle est circonscrite par les points d'intersection 33 avec le prolongement de la surface interne 30 de la troisième paroi frontale 12.
  • Avantageusement, le nez selon la présente invention présente un rapport h/(b-D3) compris entre 50 % et 80 %.
  • La figure 5 représente également la distance R2 pour le passage du liquide de refroidissement prise perpendiculairement à l'axe longitudinal L du nez entre le front 21 du séparateur et la surface externe de la partie amincie I du pilier 22. Cette section de passage est telle que le rapport R2/H3 est de préférence compris entre 70% et 110%.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims (12)

  1. Nez de lance de soufflage (1), destinée au brassage de bain, comprenant :
    - un tube central d'alimentation en gaz de brassage (2), fermé à une extrémité tournée vers le bain par une première paroi frontale (3) pourvue d'au moins deux ouvertures (4),
    - un tube interne (5) formant avec le tube central (2) une première cavité annulaire (6) pour le passage d'un liquide de refroidissement et terminé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale appelée séparateur (7) présentant une ouverture centrale (8) et un orifice de passage (9) par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale (4),
    - un tube externe (10) formant avec le tube interne (5) une deuxième cavité annulaire (11) pour le passage du liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une troisième paroi frontale (12) présentant un orifice de sortie (13) par ouverture prévue dans ladite première paroi frontale (4) et présentant une surface interne (30) comprenant une zone centrale (14),
    - un espace d'échange thermique (16) qui est situé entre, d'une part, ladite deuxième paroi frontale (7) et ladite troisième paroi frontale (12) et, d'autre part, ladite ouverture centrale et ladite deuxième cavité annulaire (11), et dans lequel s'écoule le liquide de refroidissement,
    - un conduit de sortie pour le gaz de brassage, appelé injecteur (17), partant de chaque ouverture (4) dans ladite première paroi frontale (3) et allant jusqu'audit orifice de sortie (13) correspondant en passant par ledit orifice de passage (9) correspondant d'une manière étanche au liquide de refroidissement, et
    - un pilier (22) comprenant une première extrémité (E1) située à l'opposé du bain et une deuxième extrémité (E2) tournée vers le bain reliée à la zone centrale (14) de la surface interne (30) de la troisième paroi frontale (12),
    caractérisé en ce que le pilier (22) présente entre lesdites première et deuxième extrémités (E1 et E2) une partie amincie (I) reliée à la zone centrale (14) qui présente une longueur prédéterminée L1 et une section axiale décroissante de manière que le pilier (22) forme avec la zone centrale (14) de la surface interne (30) de la troisième paroi frontale (12) une surface incurvée continue.
  2. Nez de lance selon la revendication 1 présentant un diamètre extérieur (Dext) prédéterminé et dans lequel le pilier (22) présente une deuxième partie (II) de longueur prédéterminée L2 joignant ladite partie amincie (I) et ladite première extrémité (E1), ladite deuxième partie (II) présentant une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé (D2), constant sur toute la longueur L2, tel que le rapport D2/Dext est compris entre 2 % et 30 %, avantageusement entre 4 % et 25 %, de manière préférentielle entre 4 % et 20 %, en particulier entre 6 % et 20 %, de préférence entre 6 % et 15 %, de manière particulièrement avantageuse entre 8 % et 15 %, avantageusement entre 10 % et 15 %.
  3. Nez de lance selon la revendication 2 dans lequel ladite partie amincie (I) présente une section transversale circulaire définie par un diamètre prédéterminé (D1) variant progressivement de la valeur du diamètre prédéterminé (D2), à la jonction avec ladite deuxième partie (II), à une valeur comprise entre 20 % et 95 %, avantageusement entre 30 % et 90 %, de manière préférentielle entre 40 % et 85 %, de préférence entre 50 % et 80%, en particulier entre 60 % et 80 % de D2 à la deuxième extrémité E2.
  4. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 dans ladite surface incurvée continue est caractérisée par un rayon de courbure minimum supérieur ou égal à 20%, avantageusement supérieur ou égal à 30%, de manière préférentielle supérieur ou égal à 40%, en particulier supérieur ou égal à 50%, de façon particulièrement préférentielle supérieur ou égal à 60 %, de préférence supérieur ou égal à 70 % dudit diamètre prédéterminé (D2) de ladite deuxième partie (11).
  5. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel la longueur L1 est telle que le rapport L1/ Dext est compris entre 3 et 50 %, avantageusement entre 5 % et 50 %, de manière préférentielle entre 7 % et 45 %, en particulier entre 9 % et 40 %, de préférence entre 11 % et 35 %, de préférence entre 13 % et 30 %, de manière particulièrement avantageuse entre 15 % et 25 %.
  6. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 dans lequel la longueur L2 est telle que le rapport L2/L1 est compris entre 100 % et 200 %, avantageusement compris entre 105 % et 190 %, de manière préférentielle entre 110 % et 180 %, en particulier entre 115 % et 170 %, de préférence entre 120 % et 165 %, de manière particulièrement avantageuse entre 125 % et 160, avantageusement entre 130 % et 155 %, de préférence entre 135 % et 150 %.
  7. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel ledit pilier (22) est monobloc.
  8. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce ledit séparateur (7) présente à l'ouverture centrale (8) un bord (18) en section axiale qui est incurvé tel qu'une hauteur (H3) est définie entre un front (21) dudit bord (18) et ladite troisième paroi frontale (12) et que dans l'espace d'échange thermique (16) une hauteur minimum prédéterminée (H1) est présente du côté de ladite ouverture centrale (8) tel que le rapport H1/H3 est compris entre 5 % et 80 %, avantageusement entre 5 % et 75 %, de préférence compris entre 5 % et 70 %, de manière préférentielle compris entre 5 % et 65 %, de manière particulièrement avantageuse entre 5 % et 60 %, de préférence entre 10 % et 60 %, avantageusement entre 15 % et 60 %, de préférence compris entre 20 % et 60 %, de manière préférentielle compris entre 25 % et 60 %, de manière particulièrement avantageuse entre 25 % et 55 %, de préférence entre 30 % et 55 %.
  9. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel un déflecteur (24) est présent sensiblement au centre dudit tube central (2) d'alimentation en gaz de brassage.
  10. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les injecteurs (17) présentent un axe de révolution (m) orienté en oblique par rapport à un axe longitudinal (L) du nez de lance.
  11. Nez de lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel ladite partie amincie I du pilier (22) présente un diamètre minimum prédéterminé D3 à ladite deuxième extrémité (E2) et ladite zone centrale (14) présente une hauteur h et une base b telles que le rapport h/(bD3) est compris entre 20 % et 120%, de préférence entre 20 % et 110 %, avantageusement entre 30 % et 110 %, de manière préférentielle entre 30 % et 100 %, en particulier compris entre 40 % et 100 %, de manière particulièrement avantageuse entre 40 % et 90 %, de préférence entre 45 % et 85 %, avantageusement entre 50 % et 80 %.
  12. Nez de lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les éléments susdits du nez sont réalisés séparément et fixés en zone de rattachement mutuel par soudage à haute énergie, de préférence un soudage à faisceau d'électrons.
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