LU87353A1 - Lance de soufflage d'oxygene - Google Patents

Description

Lance de soufflage d'oxygène.

L'invention concerne une lance pour l'affinage de métaux ou de fer-ro-alliages par soufflage d'un jet d'oxygène supersonique par le haut sur le bain liquide.

La conception d'une lance de soufflage fait appel à des considérations qui tiennent entre autres compte du nombre de Mach et du débit gazeux optimum, ce dernier étant fonction de la masse métallique que contient le convertisseur. Pour créer un jet supersonique, la tuyère d'une lance comporte habituellement un convergent et en aval de ce dernier un col puis un divergent. Une telle tuyère est connue sous le nom de tuyère de Laval. Des calculs montrent que le nombre de Mach est fonction de la pression de la source de gaz, ainsi que du rapport des diamètres de sortie du divergent et du col du convergent; le débit optimum est fonction de la pression d'entrée de la tuyère et du diamètre du col du convergent.

Il apparaît que ces deux grandeurs dépendent de la configuration géométrique de la tuyère et ne sont pas variables indépendamment l'une de l'autre. Cela veut dire qu'il n'est par exemple pas possible de procéder a un soufflage a jet dur et débit réduit, ni d'effectuer un soufflage à jet mou et débit réduit, à l'aide d'une lance conçue pour avoir un débit élevé, sans s'éloigner dans un sens ou ds.ns l'autre des grandeurs optimales liées a la configuration géométrique de la tuyère. Lorsqu'on essaie de dépasser les limites du point de vue débit et vitesse de sortie, il se crée a l'intérieur du convertisseur et aux abords de l'embouchure de la lance des ondes de choc; les caractéristiques du jet se dégradent et l'usure de la lance progresse rapidement.

Or le métallurgiste voudrait au cours de certaines phases de l'affinage projeter sur le bain un jet vertical mou, a débit élevé; une telle manière de souffler est recommandée lorsqu'il s'agit de former un laitier fortement oxydé. Il est tout aussi fréquent qu'il devrait souffler un jet d'oxygène vertical dur, a débit réduit; cette manière de procéder est indiquée ,en vue de réduire le' volume total en oxygène fourni au convertisseur, dans le but de ne pas oxyder le laitier, tout en garantissant une décarburation vigoureuse du métal.

Une lance de soufflage d'oxygène munie d'une tuyère de Laval, dont le concept permet de varier le nombre de Mach et le débit optimal indépendamment l'un de l'autre est connue du brevet LU 86 322.

L'objet de la présente invention est de proposer des modes d'exécution d'une tuyère de Laval variable. Les critères importants à respecter sont l'utilisation de moyens mécaniques compacts, fonctionnant a puissance motrice réduite et constitués d'un minimum de pièces mobiles. Il faut impérativement éviter sinon minimiser, la création de turbulences et ceci pour n'importe quel mode de fonc-tionnement de cette tuyère de Laval.

Ce but est atteint par la lance suivant l'invention telle qu'elle est caractérisée dans la revendication indépendante. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.

Un avantage fondamental de l'invention réside dans la possibilité offerte à l'aciêriste de varier, en fonction des différentes phases d'affinage, la quantité d'oxygène introduite dans le bain tout en imposant en permanence au jet la forme et la vitesse optimale requise.

L'invention sera exposée ci-après plus en détail à l'aide d'un dessin représentant seulement un mode d'exécution.

- La figure 1 représente, en coupe, une partie d'une tuyère de Laval réalisée conformément à la présente invention.

On distingue une tuyère de Laval variable, entourée par un tube 1, pouvant constituer une des parois guidant l'eau de refroidissement. La tuyère comporte essentiellement une partie divergente 2 précédée d'un col 3, ainsi qu'un convergent 4. Le divergent, le col et le convergent possèdent une longueur et une allure qui est fonction de la position d'une pièce en forme d'aiguille 5, déplaçable a l'intérieur d'une gaine cylindrique 7. Une vanne de régulation - non représentée - qui permet d'ajuster avec précision la pression du gaz, est disposée en amont de la tuyère, p.ex. a la hauteur des supports de fixation de la lance. La pièce en forme d'aiguille 5 est déplaçable suivant l'axe de la tuyère par l'intermédiaire d'une tige 8 la reliant à un moteur, qui peut être du type pas-à-pas linéaire (non représenté). Cette tige 8 traverse une cavité 9, isolée d'un côté par des joints toriques 10 du flux gazeux en amont de la tuyère, mais communiquant avec celui-ci, par l'intermédiaire d'évidements 11, au niveau de la partie divergente. Ceci permet de réduire substantiellement la puissance du moteur. En effet, la sous-pression régnant le long du profil de la pointe 6 - variable selon le point considéré et selon le mode de fonctionnement de la lance -tend à aspirer la pièce en forme d'aiguille vers la sortie de la lance. Grâce aux évidements 11, la sous-pression régnant aux points 12 s'établit dans la cavité 9; la force qui en découle est égale au produit de cette sous-pression par la surface définie par la projection de la section de l'aiguille sur un plan normal à l'axe de la tuyère - de laquelle on retranche la section de la tige 8.

Le divergent 2 de la tuyère comporte deux parties: une partie divergente classique, pouvant s'étendre jusqu'à l'embouchure de la lance, contrôlant de manière usuelle l'expansion du gaz par l'intermédiaire d'une paroie extérieure 2.1 et une partie divergente constituée essentiellement par une pièce centrale 6 imposant l'expansion et par un tube extérieur 2.2 ayant de préférence une forme cylindrique et ne jouant qu'un rôle mineur dans la dynamique d'expansion du gaz. La géométrie de la pointe 6 de l'aiguille 5 est liée à celle de la partie convergente 4 et est déterminée - par des calculs ou des essais empiriques - de manière à minimiser les turbulences et à avoir une accélération progressive du gaz. Notons que par un profilage approprié de la point de l'aiguille 6, la majeure partie de l'expansion du gaz peut se faire le long de celle-ci, la partie divergente 2.1 classique devenant largement superflue.'

Le col 3 est défini par un guide extérieur en forme de tube cylindrique à section constante - tout comme pour les tuyères classiques - et en outre par un guide cylindrique intérieur formé par la paroi latérale de la pièce en forme d'aiguille 5. La longueur du col est fonction de la position de l'aiguille et peut à la limite se réduire à un simple plan séparant la partie convergente de la partie divergente.

Le convergent 4 est délimité par un profil intérieur cylindrique, formé par la paroi latérale de l'aiguille et un profil extérieur 4.1 convergent. Bien que l'allure de la partie convergente soit nettement moins critique que celle de la partie divergente et pourrait être à la limite simplement conique, il y a avantage à donner à la paroi 4.1 un profil complémentaire à celui de la pointe 6 de l'aiguille. Ceci permettra d'avoir pour une aiguille rentrée au maximum un mode de fonctionnement - soufflage à jet mou - pour lequel, la tuyère présente au gaz une section pratiquement constante jusqu'au niveau de la partie divergente classique (repérée par la référence 2.1).

La pointe profilée de la pièce en forme d'aiguille est de préférence amovible du corps cylindrique. Son intersection avec un plan, contenant l'axe de la tuyère, présente dans une forme d'exécution possible, des parties paraboliques formant la pointe aiguë, reliées au corps de l'aiguille par des traçês sensiblement circulaires, dont le but principal est d'éviter toute discontinuité pouvant créer des perturbations.

En mode de fonctionnement normal, on fixe la pression de source (en réalité la position de la vanne) et on varie le débit du gaz en fonction de la position de l’aiguille; ceci permet de changer le débit de gaz pour un nombre de Mach donné sans observer un éclatement du jet.

Notons cependant qu’en mode de fonctionnement limite: - le jet de gaz le plus mou possible est obtenu pour une pression de source faible et une aiguille rétractée au maximum, de sorte à augmenter la section effective du col; - le jet de gaz le plus dur possible est obtenu pour une pression de source élevée et une aiguille sortie au maximum.

Or les vannes munies de tuyères de Laval classiques, capables de fournir soit un jet mou, soit un jet dur, seraient totalement inadaptées aux autres étapes du processus d’affinage, la première -construite pour fournir un jet mou- étant incapable de'accélérer suffisamment le gaz et la deuxième -construite pour avoir un jet dur- de fournir la quantité d'oxygène requise. Une augmentation de la pression de source mènera dans les deux cas à la création d'ondes de choc, qui freinent l’accélération du gaz et limitent le débit.

Claims (8)

1. Lance pour l'affinage de métaux ou de ferro-alliages en fusion dans un récipient métallurgique, par soufflage d'oxygène par le haut, dont la tête présente au moins une tuyère guidant un jet d'oxygène d'affinage, la tuyère comportant un conduit a section variable, ébauchant un convergent (4) suivi d'un col (3), une pièce centrale sensiblement cylindrique (5), munie d'une pointe (6), déplaçable le long de l'axe de la tuyère au niveau du col ainsi qu'un divergent (2), caractérisée en ce que le divergent est constitué par une paroi sensiblement cylindrique dans le prongement du conduit à section variable et par la dite pointe, profilée de manière a assurer une expansion du gaz.

2. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe (6) est profilée de manière que les courbes obtenues par son intersection avec un plan passant par l'axe de la pièce centrale présentent vers leur milieu un point d'inflexion.

3. Lance selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la variation de la section de la pointe le long de l'axe de la pièce centrale par un plan normal a celui-ci, est faible du côté pièce centrale, élevée vers le milieu et faible vers l'extrémité aigue de la pointe.

4. Lance selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'intersection de la pointe avec un plan, contenant l'axe de la pièce centrale, présente des parties paraboliques reliées au corps cylindrique par des traçés sensiblement circulaires.

5. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe profilée (6) de la pièce centrale est amovible du corps cylindrique (5).

6. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de la pièce centrale se déplace dans une cavité allongée (9), épousant sensiblement la forme de la dite pièce et isolée par des joints toriques (10) du flux gazeux en amont de la tuyère.

7. Lance selon la revendication 6, caractérisée en ce que la dite cavité communique avec le flux gazeux par l'intermédiaire d'évidements (11) dans la pointe du corps cylindrique.

8. Lance selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les courbes d'intersection de la pointe profilée et du convergent par un plan passant par l'axe de la tuyère peuvent être partiellement déduites l'une de l'autre par homothêtie.