Lance de soufflage d'oxygène

Abstract

 Lance pour l'affinage de métaux par soufflage d'oxygène par le haut, dont la tête présente en amont de l'embouchure (5) une tuyère (1) guidant un jet de gaz étant composé au moins en partie d'oxygène et ayant une vitesse supersonique. La tuyère (1) se compose d'un tube intérieur (20) dont la partie inférieure (21) est convergente et d'un tube extérieur (3), coaxial au tube intérieur et ayant une section droite supérieure à celle du tube intérieur. L'embouchure (25) du tube intérieur (20) est située en retrait de l'embouchure (5) de la tuyère (1). Les tubes intérieur et extérieur sont munis de vannes (22 resp. 4) de régulation de débit et reliés à des sources de gaz sous pression. Il est prévu des moyens pour changer la section de l'embouchure (25) du tube intérieur (20), qui peuvent être constitués par une pièce (23) sensiblement en forme d'aiguille déplaçable le long de l'axe du tube intérieur (20), la partie aigue de l'aiguille pouvant prendre différentes positions à l'intérieur de la partie convergente (21) du tube intérieur (20).

Description

[0001] L'invention concerne une lance pour l'affinage de métaux ou de fer­roalliages par soufflage d'oxygène par le haut.

[0002] La conception d'une lance de soufflage d'oxygène, qu'il s'agisse d'une lance fournissant un jet vertical pour l'affinage proprement dit, ou d'une lance comprenant en plus par exemple des tuyères laté­rales fournissant des jets obliques pour la post-combustion du mon­oxyde de carbone, nécessite certains calculs qui doivent en particu­lier tenir compte des deux grandeurs suivantes: le nombre de Mach et le débit optimum.

[0003] Le nombre de Mach est une grandeur qui exprime l'impulsion, la vi­tesse resp. le degré de dureté du jet. La tuyère d'une lance compor­te habituellement un convergent et en aval de ce dernier un diver­gent; le nombre de Mach est fonction 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.

[0004] 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 pas possible de procé­der à un soufflage à jet dur et débit réduit à l'aide d'une lance conçue pour avoir un débit optimal élevé, 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 dans l'autre des grandeurs optimales liées à la configuration géométrique de la tuyère. Or si l'on essaie de dépasser les limites du point de vue débit et vitesse de sortie, il se crée à l'intérieur du convertis­seur et aux abords de l'enbouchure de la lance des ondes de choc; les caractéristiques du jet se dégradent et l'usure de la lance progresse rapidement.

[0005] Le métallurgiste peut désirer projeter sur le bain en voie d'affi­nage un jet vertical mou, à un débit élevé; une telle manière de souffler est à recommander au cours de l'affinage lorsqu'il s'agit de former un laitier fortement oxydé. Il est tout aussi bien imagi­nable qu'il veuille souffler un jet d'oxygène vertical dur, à débit réduit; cettre manière de procéder serait 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.

[0006] Le but de la présente invention est de créer une lance de soufflage d'oxygène, dont le concept permet de varier le nombre de Mach et le débit optimal, indépendamment l'un de l'autre tout en n'utilisant qu'un minimum de pièces mobiles.

[0007] Un critère essentiel à respecter est l'utilisation d'un minimum de moyens mécaniques, c'est-à-dire qu'il faut arriver au but recherché sans avoir à mettre en oeuvre des moyens capables de varier la con­figuration géométrique de sortie de la tuyère. En effet, des moyens mécaniques permettant de varier le diamètre du divergent d'une tuy­ère, ne seraient guère accessibles à des frais abordables.

[0008] Ce but est atteint par la lance suivant l'invention telle qu'elle est caractérisée dans la revendication principale. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les sous-revendica­tions.

[0009] Un avantage capital de l'invention réside dans la possibilité offerte à l'aciériste 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 vitesse optimale requise.

[0010] L'invention sera illustrée par la description des dessins, où

- la fig.1 montre de manière non-limitative une forme d'exécution possible de la lance suivant l'invention, tandis que

- la fig.2 représente un schéma de réglage des différents éléments, de la lance représentée en fig. 1, permettant d'aboutir à la variabilité individuelle du nombre de Mach et du débit optimal.

- la fig. 3 montre une autre forme d'exécution possible de la lance suivant l'invention.

- la fig.4 montre un exemple de caractéristique vitesse-débit d'un jet d'oxygène.

[0011] On distingue en fig. 1 une partie d'une tête de lance avec son cir­cuit de refroidissement à l'eau 2. La tuyère 1 fournissant l'oxygène d'affinage se compose d'un tube intérieur 20 sensiblement cylindri­que, dont la partie inférieure 21 est convergente, et d'un tube ex­térieur 3, coaxial au tube intérieur 20 et également sensiblement cylindrique. L'embouchure 25 du tube 20 est disposée de quelques di­zaines de cm en retrait de l'embouchure 5 de la tuyère 1. Les deux tubes présentent des vannes de régulation 22 respectivement 4 per­mettant de régler individuellement la quantité et la pression de gaz les traversant. Notons que ces vannes sont en réalité disposées net­tement plus en amont des embouchures, p.ex à la hauteurs des sup­ports de fixation de la lance. A l'intérieur du tube 20 est disposée la pièce 23 en forme d'aiguille. Cette pièce est déplaçable suivant l'axe commun, dans le sens de la double flèche 24 à l'aide d'un mo­teur, qui peut être du type pas-à-pas linéaire (non représenté). On distingue également la zone 7, où l'interaction entre le jet central supersonique en expansion 26, sortant du tube 20 et du jet annulaire subsonique 6, entourant le jet central, crée des conditions équiva­lant à une réduction effective de la section à la sortie du tube 3.

[0012] Ainsi le tube intérieur 20 présente à sa sortie un convergent 21 dont la section effective est variable grâce au positionnement rég­lé de la pièce 23 en forme d'aiguille. Il est soufflé à travers ce tube l'oxygène d'affinage, dont la pression initiale est contrôlée par l'intermédiaire de la vanne de régulation 22. Ce jet passe par la sortie 25 du tube intérieur, la section effective de sortie étant déterminée par la position de la pièce 23 en forme d'aiguille, et arrive dans le tube extérieur 3. En pénétrant dans ce tube, le jet 26 est expansé.

[0013] Le tube extérieur 3 fournit un jet 6 annulaire d'oxygène ou éven­tuellement d'air, dont le débit est contrôlé à l'aide de la vanne de régulation 4 et enveloppant le jet expansé 26. Etant donné qu'on profite des phénomènes d'expansion complémentaires d'un jet super­sonique et d'un jet subsonique, la vanne 4 doit au plus être ouverte jusqu'à une position où le jet annulaire 6 devient supersonique; sinon le fonctionnement de la tuyère n'est plus assuré. D'un autre côté il y a lieu d'assurer que la pression statique du jet sortant de la tuyère 1 soit proche de la pression qui règne dans le réci­pient métallurgique. Rappelons que lorsqu'un jet supersonique sort d'une tuyère qui le "guide" latéralement en possédant une pression interne supérieure à la pression du milieu ambiant, il est le siège d'une expansion latérale tellement forte que sa pression interne tombe en dessous de celle du milieu ambiant, qui en retour comprime le jet supersonique: il y a formation d'ondes de choc. Il est vrai que pour la tuyère selon l'invention on peut, dans de faibles proportions, repousser cette contrainte imposée à la pression du jet supersonique à la sortie sans trop perturber sa dynamique. En effet, le jet annulaire subsonique 6 continue à envelopper le jet central 26 supersonique et freine son expansion transversale.

[0014] Pour mieux comprendre le fonctionnement, regardons ce qui se passe lorsque pour une position donnée des vannes 4 et 22, l'aiguille 23 est rétractée, de sorte à augmenter la section effective du col 25: Le débit du jet supersonique augmente. A première vue, au regard du fait que dans une tuyère de Laval, à pression initiale constante, le nombre de Mach est fonction du rapport (diamètre de sortie divergent­/diamètre du col du convergent), on pourrait croire que la vitesse du gaz à la sortie diminue. En fait dans une première phase très courte, la vitesse à la sortie diminue effectivement. Conjointement avec la chute de vitesse, la pression interne du jet supersonique augmente, ce qui provoque un élargissement du jet supersonique au dépens du jet annulaire subsonique et la vitesse du gaz super­ sonique reprend une valeur proche de celle observée avant la modifi­cation de la position de l'aiguille.

[0015] Une ouverture de la vanne 22 par contre est accompagnée d'une aug­mentation du débit et de la vitesse du gaz. On retrouve le débit de départ en diminuant à l'aide de l'aiguille la section effective du col 25.

[0016] Notons que le degré d'ouverture de la vanne 4 n'est pas une variable dont on peut disposer à sa guise. Sa fonction primordiale est de réduire la pression de source de façon à exclure la création d'un jet annulaire supersonique. Etant donné qu'un jet subsonique possède, en sortant d'un conduit, une pression interne égale à celle du milieu ambiant, on a toute liberté de choisir, à l'aide d'essais de routine, le degré d'ouverture de la vanne qui permet, pour la gamme de débits et de vitesses du jet supersonique, un élargissement et une contraction optimale de cet jet. Une fois qu'on a déterminé cette position, on fixe le zéro du comparateur 40 (voir plus loin explications en rapport avec la figure 2). Au cours des différents modes de fonctionnement de la lance, le degré d'ouverture de la vanne 4 ne change que faiblement.

[0017] Le schéma en fig. 2 est destiné à illustrer un procédé de régulation de la marche de la lance de soufflage suivant l'invention. Les élé­ments-moteurs sont les vannes de régulation 22 et 4, ainsi que le mécanisme de mouvement de la pièce 23; les éléments de mesure sont le capteur 30 de la pression, le capteur 31 de position de l'ai­guille et le capteur 32 de la température du jet d'oxygène d'affi­nage en amont du convergent 21 ainsi que le capteur 33 qui mesure la pression du jet à l'embouchure 5 de la tuyère 1.

[0018] D'après la théorie sur les tuyères de Laval on connaît les relations suivantes:

ou - Po est la pression à l'entrée de la tuyère de Laval (Pa)
- To est la température à l'entrée de la tuyère de Laval (°K)
- Pa est la pression à la sortie de la tuyère de Laval (Pa)
(dans le cas présent, la pression régnant dans le convertisseur)
- k est égal au rapport de la chaleur massique du gaz à pression constante à sa chaleur massique à volume constant i.e. Cp/Cv
- α est le coefficient de vitesse de la tuyère qui exprime les pertes dans la tuyère (cas idéal : α = 1)
-

est la densité du gaz dans les conditions normales i.e. 20°C 1 atmosphère (Kg/Nm³)
- Qn est le débit volumique (Nm³/s) du gaz
- R est la constante individuelle du gaz (R=cp-cv) (J/kg.°K)
- Al est la section effective du col de la tuyère de Laval (m²)
- Mam es le nombre de Mach à l'embouchure.

[0019] Les deux relations (1) et (2) sont calculées dans les générateurs de fonction 42 respectivement 43. Les entrées du générateur 42 sont la pression Pa régnant dans le convertisseur ainsi que la vitesse (en fait le nombre de Mach Mam) désirée à l'embouchure 5 de la tuyère 1. La pression (calculée) Po, qui devrait régner à l'entrée de la tuyère de Laval, est comparée (référence 44) à la pression réelle P mesurée par le capteur 30 et la différence est appliquée au régula­teur 45 qui agit sur la vanne 22. Le générateur 43 reçoit sur ses entrées la pression Po devant régner à l'entréer de la tuyère de Laval, le débit nominal Qn désiré, ainsi que la température To à l'entrée de la tuyère de Laval; la section calculée du col est com­parée (référence 46), à la section réelle du col mesurée à l'aide du capteur de position 31 et la différence est appliqué au régulateur 47 qui agit sur la position de l'aiguille 23. Le comparateur 40 com­ pare la pression de sortie du jet à la pression Pa régnant dans le convertisseur et agit sur le régulateur 41, de sorte à annuler toute différence de pression. Les différents régulateurs sont avantageuse­ment du type "régulateur optimal de Kalman".

[0020] En Fig. 3 est représentée de manière schématisée une variante d'une tuyère variable ne comportant aucune partie mobile. Le système de refroidissement n'est pas représenté. L'aiguille à position variable est remplacée par un écoulement gazeux coaxial subsonique 301 injec­té à une pression légèrement supérieure à la pression statique locale du jet central. Cet "anneau" subsonique a sa source dans une ouverture annulaire 310 usinée dans la partie convergente de la tuyère de Laval 306 et reliée à une chambre torique 311, égalisa­trice de pression. La chambre 311 est alimentée, par l'intermédiaire du conduit 312, à une pression qui est fonction de l'importance de l'anneau subsonique 301 désirée. Comme gaz on peut choisir n'importe quel gaz ne réagissant pas chimiquement avec le jet central 305 et de préférence de l'oxygène ou de l'air. L'anneau subsonique 301 est éliminé, après le passage du col, à travers un divergent poreux, les trous 302 en question étant usinés de façon à former un "filtre" supersonique, (i.e. ils sont "transparents" à un écoulement sub­sonique et inexistants pour un écoulement supersonique et ce grâce aux propriétés de l'expansion et de la compression supersoniques). La quantité de gaz qui rejoint ainsi le jet subsonique annulaire 303 est faible, de sorte à ne perturber ce jet que de façon mineure.

[0021] L'expansion du jet central supersonique 309 jusqu'à la pression ambiante a lieu dans un jet annulaire subsonique 303 dont le débit est limité par une tuyère de Laval annulaire 307 en amont d'une cavité 308 jouant le rôle d'un accumulateur. Cet ensemble constitue essentiellement un système d'asservissement de l'expansion.

[0022] Le gaz formant le jet annulaire 303 provient d'un prélèvement 304 du jet central 305 en amont de la tuyère de Laval 306. La quantité de gaz prélevée est négligeable par rapport à la quantité de gaz véhiculée par le jet central 305. La pression à l'entrée de la tuyère de Laval annulaire 307 suit les variations de pression du jet central, variations qui sont fortement amorties par l'action com­binée de la tuyère de Laval annulaire 307 et de la cavité 308 jouant le rôle d'un accumulateur. Les dimensions de la tuyère de Laval annulaire et de la cavité sont choisies en fonction de la plage de fonctionnement du jet supersonique, tel qu'il a été expliqué plus haut en rapport avec la vanne 4 (fig. 2); en particulier il faut assurer dans la partie avale de l'accumulateur une pression statique inférieure à celle du jet central supersonique.

[0023] En fig. 4 on distingue les caractéristiques, d'un point de vue débit et vitesse, d'un jet d'oxygène de soufflage réalisable par la lance selon l'invention. En abscisses se trouve le nombre de Mach M et en ordonnées le débit d'oxygène Q en Nm³/min sortant de la tuyère 1. En fonction des dimensions géométriques de la tuyère 1 (section du con­duit en amont de la tuyère, allure du convergent, sections maximales et minimales du col, distance à l'embouchure ... etc.) il existe une plage 50 dans laquelle les modalités de fonctionnement de la lance sont optimales. On peut évidemment sortir de cette plage, p.ex. obtenir un nombre de Mach nettement supérieur à M₂ en augmentant fortement la pression en amont du convergent, mais dans ce cas on aura également des pertes énergétiques élevées (notamment ondes de choc). Dans la plage 50 se trouve également représentée un exemple de chemin 51 balayé lors du processus de soufflage, avec différents états de fonctionnement 52, 53, 54, 55, correspondant à des phases d'affinage bien définies. Il apparaît qu'au lieu de mettre en oeuvre un système tel que représenté sur la fig. 2, qui permet de faire fonctionner la lance de manière optimale pour n'importe quel état de fonctionnement inclu dans la plage 50, on peut également, par de simples essais, déterminer une fois pour toutes les quelques états de fonctionnement (p. ex. 52, ... 55) dont on a normalement besoin au cours de l'affinage et n'utiliser que ceux-ci.

[0024] L'invention a été exposée a l'aide de tubes extérieur et intérieur de forme sensiblement cylindrique. Il est bien évident que n'importe quelle forme (p. ex. ovale) permettant de respecter les relations de Laval peut être utilisée. Pareillement au lieu d'utiliser une aiguille ou une "ceinture" gazeuse, on peut utiliser n'importe quel autre moyen aboutissant à un changement de section effective.

Revendications

1. Lance pour l'affinage de métaux ou de ferro-alliages par souff­lage d'oxygène par le haut, dont la tête présente au moins une tuyère guidant des jets de gaz composés au moins en partie d'oxygène, caractérisée en ce que la tuyère se compose d'un conduit intérieur dont la partie inférieure ébauche une tuyère de Laval présentant un convergent, un col ainsi qu'une partie d'un divergent aboutissant à l'embouchure du conduit intérieur et d'un conduit extérieur, coaxial au conduit intérieur, ayant une sec­tion droite supérieure à celle du conduit intérieur et aboutis­sant à l'embouchure de la tuyère, en ce qu'il est prévu des moyens pour changer la section du col du conduit intérieur, en ce que l'embouchure du conduit intérieur est située en retrait de l'embouchure de la tuyère et en ce que le conduit intérieur est muni d'une vanne de régulation de débit et le conduit extérieur de moyens pour limiter la vitesse du gaz à des valeurs subso­niques.

2. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour changer la section du col du conduit intérieur sont consti­tués par une pièce sensiblement en forme d'aiguille déplaçable le long de l'axe du conduit intérieur, la partie aigue de l'aiguille pouvant prendre différentes positions dans le col du conduit intérieur.

3. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour changer la section du col du conduit intérieur sont consti­tués par une ouverture annulaire prévue dans la partie conver­gente du conduit intérieur et reliée à une source de gaz à pression variable.

4. Lance selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'ouver­ture annulaire est en plusieurs morceaux séparés par des éléments de paroi du convergent.

5. Lance selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'il est prévu, dans la partie divergente du conduit intérieur, un "filtre" supersonique, reliant le conduit intérieur au conduit extérieur.

6. Lance selon la revendication 5, caractérisée en ce que le "filtre" supersonique est constitué par des évidements usinés dans la paroi de la partie divergente du conduit intérieur.

7. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour limiter la vitesse du gaz dans le conduit extérieur à des valeurs subsoniques sont constitués par une vanne à ouverture variable.

8. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour limiter la vitesse du gaz dans le conduit extérieur à des valeurs subsoniques sont constitués par une tuyère de Laval annu­laire suivie d'une cavité.

9. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'embou­chure du conduit intérieur est située d'une dizaine de centimètres en retrait de l'embouchure de la tuyère.

10. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section droite du tube intérieur vaut au moins 50 % et au plus 90 % de celle du tube extérieur.

Dessins