LU87856A1 - Lance de soufflage - Google Patents

Description

LANCE DE SOUFFLAGE

La présente invention concerne une lance de soufflage, en particulier une lance de soufflage d'un gaz utilisé pour l'affinage de métaux à leur état liquide.

Au cours d'un procédé d'affinage comme celui de la fonte ou d'un alliage de fer dans lequel un gaz oxydant, le plus souvent de l'oxygène pur, est injecté ou plutôt soufflé par le haut sur un bain de métal en fusion, il est d'une importance primordiale de pouvoir modifier les caractéristiques du jet du gaz oxydant ainsi que son point d'impact sur la surface du bain de métal suivant l'état d'avancement du procédé d'affinage en question. Ceci devient d'autant plus vrai que les technologies modernes d'affinage utilisent des jets primaires supersoniques de gaz oxydants.

La conception de la lance de soufflage utilisée dans le cadre d'un procédé d'affinage tel que décrit ci-avant est' complexe. En effet, le gaz oxydant doit d'une part pouvoir réagir réciproquement avec le bain métallique pour que les réactions, telles que la décarburation puissent se dérouler, et d'autre part pouvoir assurer au dessus de la surface du bain une post-combustion du monoxyde de carbone dégagé. Il faut en plus s'assurer que les quantités de gaz oxydant insufflées puissent être réglées indépendamment de la vitesse du jet de gaz. Un déplacement du point d'impact du jet de gaz sur la surface du bain en cours du procédé d'affinage est en plus souhaitable afin d'accroître la surface où ont lieu les réactions métalliques et d'intensifier son effet de brassage dans le bain. L'oxygène de post-combustion devra, par ailleurs, pouvoir embrasser une zone de réaction la plus étendue possible, tout en assurant que la post-combustion du monoxyde de carbone se déroule à proximité de la surface du bain et non pas dans les régions supérieures où l'énergie dégagée mettrait en péril la lance même.

Le brevet luxembourgeois No. 86 322 (US 4,730,784, EU 0 235 621 ) décrit une tuyère de lance de soufflage d'oxygène pour l'affinage de métaux qui permet de varier la vitesse de sortie (le nombre de Mach) et le débit du jet d'oxygène indépendamment l'un de l'autre. Un développement ultérieur d'une telle lance de soufflage qui permet à l'opérateur de varier, en fonction des différentes phases d'affinage, la quantité d'oxygène introduite dans le bain tout en imposant au jet d'oxygène' la forme et la vitesse optimale requise, fait l'objet du brevet luxembourgeois No. 87 353 (US SN 395,104). Selon le dispositif du brevet luxembourgeois No. 87 353, la lance de soufflage présente une tuyère pour former et guider le jet d'oxygène d'affinage, comportant un conduit à section variable ébauchant un convergent suivi d'un col et d'un divergent, la tuyère étant munie d'une pièce centrale déplaçable le long de l'axe de la tuyère au niveau du col. La pièce centrale épouse une forme ayant un corps sensiblement cylindrique et un nez s'effilant avec concavité vers une pointe. Par le déplacement de cette pièce centrale, la section du col ainsi que le divergent peuvent être modifiés et, de ce fait, les caractéristiques de la tuyère peuvent être changées de façon continue.

La lance de soufflage de la présente invention fait usage du dispositif décrit dans le brevet luxembourgeois No. 87 353 qui sera avantageusement incorporé dans la conception de cette nouvelle lance de soufflage pour l'affinage de métaux.

De par le brevet luxembourgeois No. 86 321 (US 4,730,813) on connaît un dispositif de lance de soufflage d'oxygène d'affinage au moyen duquel le jet d'oxygène sortant de la tête de lance peut, dans certaines limites, être dévié par rapport à l'axe de la lance et dirigé sur différents points d'impact avec la surface du bain liquide. Le dispositif selon le brevet luxembourgeois No. 86 321 comprend avant l'embouchure de la tête de lance, une chambre présentant sensiblement la forme d'une poire tronquée. Moyennant des jets de gaz frappant latéralement le jet primaire d'oxygène d'affinage à sa sortie de la tuyère, celui-ci est dévié unilatéralement dans la chambre en forme de poire tronquée, dans laquelle il se déplace le long de la paroi opposée au jet de gaz latéral. De cette manière, le jet supersonique d'oxygène d'affinage sort de l'embouchure de la tête de lance à un angle par rapport à l'axe de la lance, l'angle de déviation dépendant dans une large mesure de la forme de la paroi de ladite chambre. En prévoyant plusieurs sorties de jets de gaz latéraux dirigeant de façon séquentielle des jets contre le jet primaire d'oxygène d'affinage, le point d'impact de celui-ci sur la surface du bain métallique peut être déplacé le long de la circonférence d'un cercle et dirigé sur des endroits déterminés en fonction de la position des jets latéraux.

Bien qu'on puisse dévier de cette façon le jet supersonique d'oxygène d'affinage, la lance est soumise à d'importantes forces latérales de réaction qui sollicitent les points de suspension et d'ancrage de la lance de façon tellement extrême, qu'il s'avère difficile de trouver en pratique une solution fiable à ces problèmes de fixation. Par ailleurs, le dispositif selon le brevet luxembourgeois ne permet la déviation du jet d'oxygène d'affinage qu'à certains points ou endroits bien déterminés.

Le but de la présente invention est de concevoir une lance de soufflage capable de fournir un jet de gaz dont la vitesse et le débit se laissent régler indépendamment l'un de l'autre, et dont le point d'impact sur la surface du bain liquide peut être déplacé de façon continue lors de l'opération d'affinage.

Le but est atteint par la lance selon 1'invention telle qu'elle est caractérisée dans la revendication 1.

Des variantes d'exécution préférentielle sont décrites dans les revendications dépendantes. L'invention est décrite plus en détails à l'aide des dessins qui représentent une forme d'exécution préférée de la lance de soufflage selon l'invention et dans lesquels : les Figures 1a et 1b montrent une coupe longitudinale de la lance selon l'invention, dans laquelle la tête de rotor est montrée suivant deux coupes différentes désaxées de 90° l'une par rapport à l'autre, . - la Figure 2 montre une coupe longitudinale du corps de la tête de rotor de la lance selon l'invention, - la Figure 3 montre une coupe transversale au plan A-A de la Figure 2.

Comme il apparaît sur les Figures 1a et 1b, la lance de soufflage (1) selon l'invention comprend un corps de lance ( 2 ) soudé à une tête de lance ( 3 ). Le corps de lance (2) comprend un manteau'à quatre parois (4, 5, 6 et 7) concentriques en tubes d'acier soudés, espacés moyennant des pièces intercalaires et reliés 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 lance (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 1a et 1b, 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 concentrique (11) de support pour un ensemble formant une tuyère de 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 les différents mécanismes de commande qui seront décrits par la suite. Suivant un autre mode d'exécution, la tige (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 formant la tuyère de 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 1b, 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 1'intérieur de la paroi (7) du manteau du corps de lance ( 2 ) un conduit concentrique (16) pour le gaz d'affinage, c'est-à-dire l'oxygène primaire, est aménagé. A l'endroit du corps de translation (13), le conduit concentrique (16) comporte une partie convergente et un col, qui, en coopération avec l'aiguille du corps de translation (13), forment une tuyère de Laval, 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 de 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 de Laval en se déversant de façon centrique dans la partie (17) du conduit (16).

Le fonctionnement de la tuyère de Lavâl variable (12) est décrit plus en détails 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 (18), (voir Figure 1a), aménagé centralement dans le flux du jet supersonique du gaz d'affinage, pour séparer celui-ci de manière aérodynamiquement correcte en deux jets supersoniques distincts et quasi égaux. Ces deux jets supersoniques de gaz d'affinage débouchent, à la sortie du dispositif séparateur (18), dans la tête de lance (3) dans laquelle ils subissent une déflexion à un angle déterminé, tel qu'il sera encore expliqué par la suite.

Le dispositif séparateur (18) est exécuté sous forme d'un rotor qui est logé dans une pièce concentrique stationnaire (40) fixée de manière étanche à la partie inférieure du conduit (16) et en prolongement de celui- ci. Dans l'exemple d'exécution montré, le rotor (18) est suspendu au support supérieur (21) et au support inférieur (22) qui comportent tous les deux un roulement à billes. Le rotor (18) est muni dans sa partie supérieure d'un mécanisme d'entraînement ou de mise en rotation (41) qui comprend des ailettes motrices (42) en forme d'aubes de turbine. Le jet centrique de gaz quittant la tuyère de Laval (13) heurte les ailettes (42) et met le rotor (18) en mouvement de rotation. La vitesse de rotation du rotor (18) est contrôlée et réglée moyennant des fentes (43), (voir Figures 2 et 3) aménagées dans le rotor (18) en aval des ailettes motrices (42), par lesquelles un gaz de freinage, de préférence de même composition que le gaz d'affinage, est insufflé. Ce gaz de freinage, dit gaz tertiaire, est amené aux fentes (43) par l'espace annulaire formé entre la paroi (7) et le conduit (16), et les ouvertures (44) dans la pièce (40). L'intérieur creux du rotor (18) est divisé en deux chambres séparées par une rampe centrale (45) pour provoquer la séparation aérodynamiquement correcte du jet supersonique central sortant de la tuyère Laval (13) en deux jets supersoniques distincts mais identiques (ou quasi identiques).

Sur la Figure 1a, la vue en coupe du rotor a été faite de sorte que la partie gauche montre le canal (46) d'un desdits jets supersoniques d'affinage et la partie droite la rampe de séparation (45). Comme illustré sur la Figure 1a, un conduit (47) est aménagé dans la partie inférieure ( en aval ) de la rampe de séparation ( 45 ), ce conduit débouchant dans la tuyère (48) de la tête de lance ( 3 ) par une paroi perforée ( 49 ). Le conduit ( 47 ) est alimenté, comme il sera encore décrit par après, par un flux subsonique d'oxygène, pour remplir l'espace entre les deux jets supersoniques de gaz d'affinage dans la tuyère de soufflage (48) de la tête de lance (3). Les parois (50) de la tuyère de soufflage (48) ont une courbure telle que sous l'effet dit de "Coanda" le jet supersonique de gaz d'affinage sortant du canal (46) du._ rotor (18) est dévié d'un angle déterminé par rapport à l'axe central a-a' de la lance (1). Cette déviation du jet de gaz d'affinage est soutenue par le flux sous pression du gaz subsonique sortant du conduit (47) qui , fait enveloppe et guide le jet supersonique le maintenant dans la direction déviée par rapport à l'axe central a-a de la lance (1). Ayant décrit la formation d'un des jets supersoniques de gaz d'affinage, il va de soi que l'autre jet d'affinage sort du rotor (18) et de la tuyère de soufflage (48) de façon identique (ou quasi identique) à un même angle (ou quasi même angle) mais dans une direction diamétralement opposée au premier jet d'affinage par rapport à l'axe central (a-a') de la lance (1). De ce fait, la lance de soufflage (1) n'est pas soumise à des forces dynamiques radiales (à part l'existence d'un couple résiduel agissant sur le rotor), étant donné que ces forces, dues aux jets supersoniques, se compensent l'une par l'autre dans le dispositif suivant la présente invention. Les supports de fixation et de guidage de la lance d'affinage (1) de la présente invention ne sont donc pas soumis à des sollicitations dues à la déviation du jet supersonique d'affinage par rapport à l'axe de la lance, comme tel fut le cas pour les dispositifs de l'état de la technique tels que décrits dans le brevet luxembourgeois No. 86 321.

Comme décrit ci-avant, le rotor (18) entraîne, selon une autre caractéristique de la présente invention, les deux jets supersoniques de gaz d'affinage dans un mouvement de rotation, de telle manière que leurs points d'impact sur la surface du bain liquide de métal soient, en cours du procédé d'affinage, déplacés de façon continue selon un cercle, dont le rayon est déterminé par l'angle de déviation des jets et la distance entre la tête de lance et le bain métallique. L'angle de déviation des jets supersoniques des gaz d'affinage est fonction de la forme de la paroi de déflexion (50) de la tuyère de soufflage (48).

La conception de la tête de lance (3) a été choisie dans l'exemple d'une exécution préférée du dispositif selon l'invention montrée sur la Figure 1a, de façon à permettre son montage et démontage facile et rapide au corps ou tige de la lance. Bien que sur le dessin on ne montre pas tous les détails d'exécution, il devient apparent à l'homme de l'art que toutes les pièces qui forment la tête de lance (3) et le rotor s'imbriquent l'une dans l'autre.

Cette conception permet donc un échange rapide de toutes les pièces soumises à l'usure, soit sous l'influence des hautes températures régnant à cet endroit, soit par la projection d'éclaboussures de métal en fusion. Elle permet, par ailleurs, un échange rapide du rotor (18) ainsi que de la paroi (50) de la tête de lance (3).

Comme il peut être constaté sur la Figure 1a, le rotor (18) est installé légèrement en retrait par rapport à l'orifice de sortie (33) de la tête de lance (3), ceci pour le protéger contre la projection de particules de ,métal liquide lors du procédé d'affinage.

Des tuyères (34) de post-combustion sont aménagées dans la tête de lance (3) autour de l'orifice central (33). Les tuyères (34) sont au nombre de huit dans l'exemple d'exécution montré, disposées uniformément sur le pourtour de la tête de lance. De préférence, ces tuyères de post-combustion (34) sont du type à "double effet de Prandtl-Meyer", telles que décrites dans le brevet luxembourgeois No. 87 354. Elles forment un écran pratiquement non-interrompu, en forme de parapluie, autour des deux jets supersoniques de gaz d'affinage. Les tuyères de post-combustion (34) sont alimentées en oxygène, par un flux secondaire de gaz circulant dans l'espace annulaire entre les parois (6) et (7) du manteau de la lance (1). Ce même flux secondaire de gaz à vitesse subsonique alimente, par l'intermédiaire d'ouvertures (51) prévues dans la paroi du conduit (16) et d'une chambre annulaire (52), le conduit (47) de la rampe (45) du rotor (18). Le dimensionnement des ouvertures (51) a été choisi, sur l'exemple montré, de façon à acheminer à proportions substantiellement égales, le flux de gaz secondaire vers les tuyères (34) de post-combustion et vers le conduit (47) de la rampe (45).

La présente invention met à disposition pour un procédé d'affinage d'un bain métallique en fusion, une lance de soufflage qui, de par sa conception astucieuse, permet de modifier, même en cours d'affinage, les caractéristiques du jet du gaz d'affinage moyennant une tuyère de Laval réglable (13) et de déplacer son point d'impact sur le bain liquide en cours d'affinage moyennant un mécanisme de division de rotation et direction (18, 27).

Une pénétration du ou des jets supersoniques du gaz d'affinage dans le bain métallique en fusion et un barbotage de ce dernier par le ou lesdits jets peuvent donc être assurés tout au long du procédé d'affinage.

La conception de la lance est telle qu'elle n'est pas soumise en service à des sollicitations mécaniques qui mettraient en question son emploi opérationnel effectif. Un écoulement secondaire de gaz protège les parties tournantes contre des effets destructeurs provenant du bain métallique, et des jets de gaz secondaires pourvoient à une post-combustion des gaz s'échappant du bain métallique en fusion lors du procédé d'affinage.

Bien que l'invention ait été décrite à base d'un exemple préféré d'exécution, il est parfaitement pensable de la réaliser avec un dispositif séparateur qui divise le jet supersonique du gaz d'affinage non seulement en deux parties mais en un nombre pair supérieur de jets sensiblement identiques.

Claims (11)

1. Lance de soufflage pour l'affinage de métaux liquides contenus dans un récipient par soufflage d'un gaz sur le bain métallique, comprenant une tuyère réglable (12) pour varier indépendamment la vitesse et le débit du gaz d'affinage caractérisé par un dispositif séparateur (18) aménagé dans la lance de soufflage (1) en aval de la tuyère réglable (12) centralement dans le flux du gaz d'affinage pour diviser ledit flux d'affinage en deux jets distincts sensiblement identiques sortant de la tête (3) de lance à des angles sensiblement égaux par rapport à l'axe (a-a') de la lance (1) mais dans des directions diamétralement opposées par rapport à celle- ci.

2. Lance de soufflage selon la revendication 1, caractérisée par un mécanisme d'entraînement (41) pour conférer un mouvement de rotation au dispositif séparateur (18) autour de l'axe (a-a') de la lance (1).

3. Lance de soufflage selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la tuyère réglable (12) a la forme d'une tuyère de Laval conférant une vitesse supersonique au jet de gaz d'affinage et en ce que ladite tuyère de Laval comporte des moyens de commande (14) pour varier les caractéristiques de la tuyère (12) afin de pouvoir contrôler le débit du gaz d'affinage indépendamment de sa vitesse.

4. Lance de soufflage selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le dispositif séparateur (18) épouse une forme cylindrique dont l'intérieur est divisé en deux chambres séparées par une rampe centrale (45).

5. Lance de soufflage selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un conduit (47) est aménagé dans la partie avale de la rampe centrale de séparation (45) qui débouche dans la tête (3) de lance et par lequel un flux subsonique de gaz est dirigé pour remplir l'espace entre les deux jets (supersoniques ) de gaz d'affinage.

6. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parois intérieures (50) de la tête (3) de soufflage forment une tuyère (48) et en ce que ces parois présentent une courbure telle que les jets de gaz d'affinage sortant de la rampe centrale de séparation (45) sont déviées, sous l'effet dit de "Coanda" à des angles sensiblement égaux, dans des directions diamétralement opposées par rapport à l'axe central (a-a') de la lance (1).

7. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le dispositif séparateur (18) est monté de façon démontable et facilement remplaçable dans le corps de lance.

8. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que le mécanisme d'entraînement (41) pour la mise en rotation du dispositif séparateur (18) comprend des ailettes motrices (42) en formes d'aubes de turbine.

9. Lance de soufflage selon la revendication 8, caractérisée en ce que la vitesse de rotation du dispositif séparateur (18) est contrôlée et réglée moyennant des fentes (43) aménagées dans ledit dispositif (18) en aval des ailettes (42) par lesquelles un gaz de freinage est insufflé.

10. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la tête (3) de lance comporte des tuyères de post-combustion (34) alimentées par un flux secondaire subsonique de gaz.

11. Lance de soufflage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par des circuits de refroidissement à eau (9) aménagés dans le manteau de la lance (1) et de la tête (3) de lance.