WO2002022892A1 - Nez de lance de soufflage - Google Patents

Abstract

Nez (1) de lance de soufflage, comprenant: un tube central (2) d'alimentation en gaz de brassage, un tube interne (5) pour l'entrée d'un liquide de refroidissement, un tube externe (10) pour la sortie du liquide de refroidissement, un espace d'échange thermique (13), et un conduit de sortie (15) pour le gaz de brassage partant de chaque ouverture (4) dans la paroi frontale (3), la paroi frontale (12) présentant une dépression centrale (16) qui est dirigée vers l'ouverture centrale (8) et qui présente un rapport entre hauteur de dépression et base de dépression égal ou supérieur à 0,35, l'espace d'échange thermique susdit présentant une section pour le passage du liquide de refroidissement qui est sensiblement constante, de manière à obtenir une vitesse de passage du liquide de refroidissement à travers cet espace qui soit approximativement constante.

Description

"Nez de lance de soufflage".

La présente invention est relative 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 une ouverture, un tube interne formant avec le tube central une première cavité annulaire pour le passage d'un liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale 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, un espace d'échange thermique qui est situé entre, d'une part, ladite deuxième paroi frontale et ladite 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 partant de chaque ouverture dans ladite première paroi frontale et allant jusqu'à un orifice de sortie susdit correspondant en passant par un orifice de passage susdit correspondant d'une manière étanche au liquide de refroidissement. On connaît depuis longtemps des nez de lance de soufflage de ce genre. On peut citer à titre d'exemples les nez de lance de soufflage décrits dans la EP-A-0 340207, la WO-97/000973, et le US- A-4.432.534. Pour brasser avec des jets d'oxygène des bains de convertisseurs d'aciérie, les nez de lance travaillent à une distance du bain de 1 à 2,5 m, alors que le bain présente une température de l'ordre de 1400°C. Dans ces conditions opératoires, la température du nez peut croître rapidement à 400°C, et devoir rester dans cet environnement pendant environ 20 minutes. Ensuite, lorsque la lance est retirée, le nez retourne rapidement à la température ambiante, c'est-à-dire à 20°C.

Il est donc prévu de construire les parois frontales des nez de lance en une matière très bonne conductrice de la chaleur, par exemple en cuivre, pour permettre un échange thermique aussi efficace que possible avec un liquide de refroidissement qui s'écoule à grande vitesse le long de cette paroi, à l'intérieur du nez. Toutefois, les nez de lance déjà connus présentent l'inconvénient d'offrir un refroidissement qui n'est pas uniforme sur toute la surface de cette paroi exposée à des variations de conditions thermiques extrêmement critiques. Il en résulte des tensions mécaniques entre les différentes zones de la paroi.

Par ailleurs, on observe fréquemment des phénomènes de cavitation dans le liquide de refroidissement par suite de dépressions locales dans celui-ci. Cette cavitation a pour effet d'engendrer un mauvais refroidissement entre le liquide de refroidissement et la paroi à refroidir, les échanges thermiques étant beaucoup moins bons entre une phase gazeuse et une phase solide qu'entre une phase liquide et une phase solide.

De nombreuses tentatives ont été effectuées pour adoucir l'écoulement du liquide de refroidissement à l'intérieur du nez de lance, par exemple en pratiquant de légères dépressions dans la paroi frontale externe du nez (voir par exemple US-A-4.432.534 et WO 96/23082). Ces agencements présentent toutefois l'inconvénient de ne pas offrir une surface d'échange thermique suffisante, en particulier dans la zone centrale du nez. II est par ailleurs prévu, dans la zone centrale du nez de lance décrit dans la EP-A-0340207, une dépression importante sur laquelle sont dirigés des jets secondaires de liquide de refroidissement, ce qui a pour effet de provoquer un tourbillonnement dans l'écoulement du liquide. La présente invention a pour but de proposer un nez de lance qui soit capable de subir les sollicitations importantes auxquelles il est soumis, pendant un nombre significatif d'utilisations successives, tout en fournissant un nez de lance simple à fabriquer et de coût défendable.

On résout ce problème, suivant l'invention, par un nez de lance de soufflage, tel que décrit au début, dans lequel ladite troisième paroi frontale présente une dépression centrale qui est dirigée vers ladite ouverture centrale et qui présente un rapport entre hauteur de dépression et base de dépression égal ou supérieur à 0,35, et l'espace d'échange thermique susdit présente une section pour le passage du liquide de refroidissement qui est sensiblement constante, de manière à obtenir une vitesse de passage du liquide de refroidissement à travers cet espace qui soit approximativement constante, en présence de ladite dépression.

Par une telle dépression, la surface d'échange thermique augmente fortement par rapport à une même surface du front de chaleur provenant du bain, et cela sans entraîner ni tourbillonnement, ni cavitation dans le liquide. Avantageusement, ladite dépression centrale présente un rapport entre hauteur et base égal ou supérieur à 0,4, en particulier à 0,5, et préférentiellement même à 0,8. Par l'expression "section pour le passage de liquide de refroidissement", il faut entendre que les sections visées sont prises perpendiculairement au sens d'écoulement du liquide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique. De cette manière, à débit constant, le rapport débit/section reste constant et donc la vitesse de passage du liquide reste également constante. On peut ainsi assurer qu'à une vitesse de passage donnée, et à la température critique de la paroi frontale à refroidir, aucun phénomène de cavitation ne risque de se produire dans le liquide de refroidissement, lequel d'une manière générale est de l'eau. Avantageusement, pour les températures de paroi frontale indiquées plus haut on prévoira une vitesse de passage du liquide d'écoulement comprise entre 8 et 12 m/sec.

Par section sensiblement constante, il faut entendre, suivant l'invention, que la superficie de cette section ne puisse pas varier dans des limites supérieures à 10 %.

Suivant une forme de réalisation de l'invention, le nez de lance comprend plusieurs conduits de passage susdits disposés autour d'un axe central et en ce que ladite dépression centrale s'étend depuis lesdits orifices de sortie de ces conduits. La base de la dépression est ainsi avantageusement maximale et permet une efficacité améliorée de l'échange thermique dans la dépression. D'une manière perfectionnée, la troisième paroi frontale présente un diamètre externe et la base de ladite dépression est un cercle présentant un diamètre égal à au moins 0,25 x ledit diamètre externe, de préférence à au moins 0,33 x ce diamètre externe. La dépression centrale n'est ainsi suivant l'invention en aucune façon un petit renfoncement central aménagé dans la paroi du nez pour renforcer la rigidité de celui-ci. Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, ladite troisième paroi frontale présente une dépression centrale en forme de cône.

Suivant une forme perfectionnée de réalisation de l'invention, ladite deuxième paroi frontale présente, autour de l'ouverture centrale, une déformation centrale en forme de tronc de cône, qui est dirigée vers ladite première paroi frontale. De préférence, ledit cône et ledit tronc de cône ont un axe commun et la dépression centrale en forme de cône forme avec cet axe un angle supérieur à l'angle formé entre cet axe et la déformation centrale en forme de tronc de cône. De cette manière, même dans l'espace d'échange thermique situé entre la dépression centrale de la troisième paroi frontale et la déformation centrale de la deuxième paroi frontale, la section peut rester constante et la vitesse de passage du liquide d'écoulement reste là aussi équivalente à celle obtenue le long de toute la troisième paroi frontale.

Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, la dépression centrale est couverte au moins partiellement d'un écran protecteur en un matériau à haute résistance thermique. Il peut s'agir d'une plaque en forme de disque qui est portée par la dépression centrale ou serrée contre elle et qui ne nécessite donc aucun soudage pour sa fixation. L'échange thermique entre le liquide de refroidissement et la troisième paroi frontale reste inchangé, tandis qu'une grande partie de la superficie de la troisième paroi frontale est à l'abri d'une surchauffe excessive. D'autres formes de réalisation du nez de lance suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.

D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif, d'exemples de réalisation de l'invention, et en faisant référence aux dessins annexés. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un nez de lance de soufflage suivant l'invention.

La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'une variante de réalisation. La figure 3 représente un détail d'un nez de lance suivant l'invention, pour illustrer le mode de mesure des paramètres nécessaires à l'invention.

Sur les différents dessins, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références. Sur la figure 1, on a représenté un nez 1 de lance de soufflage. Ce nez comprend un tube central 2 pour l'alimentation en gaz de brassage. Ce tube central 2 est fermé par une paroi frontale 3 qui, dans l'exemple illustré, est pourvue de plusieurs ouvertures 4.

Un tube interne 5 est agencé de manière coaxiale autour du tube central 2 et ces tubes forment entre eux une cavité annulaire 6 qui, dans l'exemple illustré, sert à l'alimentation en eau de refroidissement dans le sens de la flèche F^ Ce tube interne 5 est fermé 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 central 2. Ce tube externe est généralement en acier et il forme avec le tube interne 5 une cavité annulaire 11 qui, dans l'exemple illustré, sert à la sortie d'eau de refroidissement dans le sens de la flèche F₂. Ce tube externe 10 est fermé par une paroi frontale 12 qui fait face au bain à brasser et qui est donc soumise à des sollicitations thermiques critiques, comme expliqué plus haut. Avantageusement, cette paroi frontale est en une matière bonne conductrice de la chaleur, par exemple en cuivre, pour permettre un échange thermique aussi efficace que possible entre la paroi frontale 12 chauffée et l'eau de refroidissement passant dans l'espace d'échange thermique 13 qui est situé entre la paroi frontale 7 du tube interne 5 et la paroi frontale 12 du tube externe 10. 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 13. Là elle s'écoule dans le sens'de la flèche F₃ vers l'extérieur, c'est-à-dire vers la cavité 11.

La paroi frontale 12 est aussi pourvue d'un orifice de sortie 14 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 15 pour l'éjection de gaz de brassage à l'extérieur du nez de lance. Ces conduits sont avantageusement réalisés en une matière résistant à l'érosion, par exemple en bronze, et sont dirigés en oblique par rapport à l'axe 19 du nez de lance. Ainsi qu'il ressort de l'exemple de réalisation illustré, la paroi frontale extérieure 12 est, suivant l'invention, pourvue en son centre d'une dépression 16 en forme de cône, qui est dirigée vers l'ouverture centrale. De préférence cette dépression est suffisamment prononcée pour présenter un rapport entre hauteur de la paroi interne du cône (h) et diamètre de base (B) égal ou supérieur à 0,35. Dans le cas illustré ce rapport est égal à environ 0,5. De cette manière, la zone d'échange thermique 13 est grandement augmentée pour un même front de chaleur subi par le nez de lance, d'où une efficacité augmentée du refroidissement de la paroi frontale 12. Il est tout à fait avantageux, comme représenté, que cette dépression 16 s'étende depuis les conduits de sortie 15 et forme donc un cône dont la base soit maximale. Dans l'exemple illustré, le rapport entre la base B de la dépression et le diamètre externe D de la paroi frontale 12 est d'environ 0,33. Par ailleurs, par la dépression profonde, la zone centrale de la paroi frontale extérieure 12, qui est thermiquement la plus sollicitée, est écartée au maximum de la surface du bain.

La figure 3 illustre comment il faut mesurer les paramètres h et B du nez de lance suivant l'invention. La hauteur h se calcule entre, d'une part, le plan tangent inférieur 30 du nez de lance perpendiculaire à l'axe 19 et le plan parallèle 31 tangent au sommet de la dépression. Si un élément étranger à la dépression est prévu au sommet de celle-ci, comme par exemple le tirant 20 sur la figure 2, le plan 31 reste dans la position qu'il aurait si cet élément étranger n'existait pas. Le sommet de la dépression doit être alors considéré comme un point virtuel à prendre en compte dans la mesure.

La base B est située dans le plan tangent inférieur 30. Elle est circonscrite par la ligne 32 résultant du croisement entre ce plan 30 et le prolongement 33 des faces internes 34 de la dépression. On ne tient donc pas compte des arrondis.

Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1 , le diamètre externe de la paroi frontale 12 est pris là où sa valeur est maximale.

La paroi frontale 7, servant de séparateur entre l'alimen- tation en eau et la sortie d'eau, présente elle aussi une déformation centrale 17 dirigée vers la paroi frontale 3. Cette déformation 17 a une forme de tronc de cône ouvert vers le haut par l'ouverture centrale 8.

Ce tronc de cône 17 est coaxial au cône formé par la dépression 16, leur axe commun étant l'axe 19 du nez de lance. Le cône de la dépression 16 forme avec l'axe 19 un angle supérieur à l'angle formé entre cet axe et la prolongation imaginaire du tronc de cône 17 jusqu'à cet axe.

Il en résulte que le tronc de cône 17 est plus écarté du cône

16 à son sommet qu'à sa base. Or, à son sommet, le tronc de cône est plus étroit. Donc, la section de l'espace d'échange thermique situé entre les parois frontales 7 et 12, qui est mesurée dans un plan perpendiculaire au sens d'écoulement du liquide de refroidissement, reste constante même en présence de la dépression centrale 16 prévue dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1. Par ailleurs, au niveau des conduits de sortie 15, le liquide de refroidissement ne peut passer que dans les interstices situés circonférentiellement entre ces conduits dans l'espace d'échange thermique 13. Par conséquent, pour maintenir à cet endroit une section de passage constante pour le liquide de refroidissement et donc une vitesse de passage constante à un débit donné, un renflement vers l'intérieur 18 dans la paroi frontale 7 servant de séparateur est prévu dans chacun des interstices susdits.

Le nez de lance suivant l'invention est donc agencé de façon à prévoir sur toute l'étendue de la zone d'échange thermique 13 une section de passage constante pour le liquide de refroidissement. A un débit déterminé de l'alimentation en eau on obtient un rapport entre ce débit (d) et la section (S) qui reste constant pendant le fonctionnement de la lance, ce rapport correspondant à une vitesse de passage du liquide d'écoulement exprimée en m/sec. Avantageusement, le débit et la section seront déterminés pour obtenir une vitesse de passage approximativement constante et comprise entre 8 et 12 m/sec. Le phénomène de la cavitation peut ainsi être évité au maximum ce qui améliore grandement l'efficacité de l'échange thermique obtenu dans le nez. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, on a représenté un nez de lance qui se différencie de celui représenté sur la figure 1 par le fait que la dépression 16 est plus prononcée. Le sommet de la dépression 16 fait saillie à travers l'ouverture 8 et débouche donc même dans l'espace entre les parois frontales 3 et 7, ce qui permet d'obtenir un rapport entre h et B égal ou supérieur à 0,8. Pour mieux assurer la résistance mécanique de la dépression 16, on peut prévoir un élément de retenue, par exemple un tirant 20, entre le sommet de la dépression et un écrou agencé sur ou dans la paroi frontale 3 du tube central 2. Par ailleurs, la dépression centrale 16 est, dans cet exemple de réalisation, totalement couverte par une plaque 21 thermiquement résistante. De cette manière, tout en permettant un échange thermique inchangé entre l'eau de refroidissement et le cône formé par la dépression 16, la partie centrale du nez de lance est thermiquement isolée de la chaleur du bain, ce qui renforce l'efficacité de l'échange thermique et permet une plus longue durée de vie du nez de lance.

Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, la plaque 21 est composite, c'est-à-dire qu'elle présente une couche externe en une matière réfractaire, par exemple en céramique, ou en acier réfractaire et une couche interne en une matière thermiquement isolante, comme par exemple l'alumine fibreuse.

Dans l'exemple illustré, cette plaque est simplement serrée entre la tête 22 d'une tige filetée 23 traversant la plaque 21 et vissée dans un filetage prévu dans la tête du tirant 20. D'autres modes de fixation de cette plaque pourraient bien entendu être prévus.

Des essais comparatifs ont été réalisés dans les mêmes conditions dans des bains d'une aciérie.

Les essais ont été effectués avec des nez conventionnels de 3 firmes concurrentes (essais I à III sur le tableau ci-dessous), des nez fabriqués par la demanderesse avec une légère dépression centrale dont le rapport h/B = 0,15 et le rapport D/B = 0,15 (essai IV) et des nez suivant l'invention dont le rapport h/B = 0,44 et le rapport D/B = 0,30 (essai V). Tableau

La durée de vie d'un nez est calculée sur le nombre de coulées qui ont pu être brassées avant de devoir mettre ce nez au rebut. Comme on peut le voir de ce tableau, l'amélioration de la durée moyenne de vie des nez suivant l'invention est remarquable et totalement inattendue.

Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS

1. Nez (1) de lance de soufflage, destinée au brassage de bains, comprenant : un tube central (2) d'alimentation en gaz de brassage, fermé à une extrémité tournée vers le bain par une première paroi frontale (3) pourvue d'au moins une ouverture (4), un tube interne (5) formant avec le tube central une première cavité annulaire (6) pour le passage d'un liquide de refroidissement et fermé à une extrémité tournée vers le bain par une deuxième paroi frontale (7) présentant une ouverture centrale (8) et un orifice de passage (9) par ouverture (4) prévue dans ladite première paroi frontale (3), 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 (14) par ouverture (4) prévue dans ladite première paroi frontale (3) , un espace d'échange thermique (13) 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 (8) et ladite deuxième cavité annulaire (11), et dans lequel s'écoule le liquide de refroidissement, et un conduit de sortie (15) pour le gaz de brassage partant de chaque ouverture (4) dans ladite première paroi frontale (3) et allant jusqu'à un orifice de sortie (14) susdit correspondant en passant par un orifice de passage (9) susdit correspondant d'une manière étanche au liquide de refroidissement, caractérisé en ce que ladite troisième paroi frontale (12) présente une dépression centrale (16) qui est dirigée vers ladite ouverture centrale (8) et qui présente un rapport entre hauteur de dépression et base de dépression égal ou supérieur à 0,35, et en ce que l'espace d'échange thermique (13) susdit présente une section pour le passage du liquide de refroidissement qui est sensiblement constante, de manière à obtenir une vitesse de passage du liquide de refroidissement à travers cet espace qui soit approximativement constante, en présence de ladite dépression.

2. Nez de lance suivant la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conduits de passage (15) susdits disposés autour d'un axe central (19) et en ce que ladite dépression centrale (16) s'étend depuis lesdits orifices de sortie (14) de ces conduits.

3. Nez de lance suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la troisième paroi frontale présente un diamètre externe et en ce que la base de ladite dépression est un cercle présentant un diamètre égal à au moins 0,25 x ledit diamètre externe.

4. Nez de lance suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite deuxième paroi frontale (7) présente, autour de l'ouverture centrale (8), une déformation centrale (17) en forme de tronc de cône, qui est dirigée vers ladite première paroi frontale (3).

5. Nez de lance suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la dépression centrale (16) a une forme de cône, en ce que ledit cône et ledit tronc de cône ont un axe commun (19) et en ce que la dépression centrale (16) en forme de cône forme avec cet axe un angle supérieur à l'angle formé entre cet axe et la déformation centrale (17) en forme de tronc de cône.

6. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la dépression centrale (16) fait saillie à travers l'ouverture centrale (8), vers ladite première paroi frontale (3).

7. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de retenue (20) qui fixe un sommet de la dépression centrale (16) à ladite première paroi frontale (3).

8. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la dépression centrale (16) est couverte au moins partiellement d'un écran protecteur (21) en un matériau à haute résistance thermique.

9. Nez de lance suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'écran protecteur (21) est porté sur une tige (23) fixée au sommet de la dépression centrale (16).

10. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conduits de passage (15) susdits séparés circonférentiellement par des interstices, et en ce que ladite deuxième paroi frontale présente à chaque interstice susdit un renflement (18) dirigé vers l'intérieur.

11. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il présente un rapport entre hauteur de dépression et base de dépression égal ou supérieur à 0,4, avantageusement à 0,5, de préférence à 0,8.

12. Nez de lance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'espace d'échange thermique (13) est alimenté en eau à un débit prédéterminé et en ce qu'il

présente un rapport entre ce débit et ladite section (—) donnant lieu à

une vitesse de passage du liquide d'écoulement comprise entre 8 et 12 m/sec.