Lance de soufflage d'oxygène

Abstract

 Lance pour l'injection par le haut d'oxygène d'affinage dans des bains de métaux ou de ferro-alliages contenus dans des récipients métallurgiques. La lance comprend dans sa partie terminale une tuyère de Laval délimitant dans la direction d'écoulement du gaz d'abord une zone convergente, ensuite un col cylindrique et enfin une zone divergente. Elle comprend par ailleurs un corps de réglage central mobile sensiblement clindrique qui peut être avancé ou rétracté axialement dans la zone du col de la tuyère de Laval. Le nez du corps de réglage central présente un profil spécial qui délimite ensemble avec la paroi cylindrique coaxiale extérieure de la tuyère de Laval une zone divergente qui provoque une expansion du flux gazeux. Le profil du nez du corps central mobile et celui du convergent de la tuyère de Laval sont au moins approximativement complémentaires. Les caractéristiques du flux gazeux sont modifiées en changeant son profil de passage par déplacement axial du nez du corps de réglage central.

Description

[0001] L'invention concerne une lance pour l'affinage de métaux ou de ferro-­alliages contenus dans un récipient métallurgique au moyen d'un jet d'oxygène insufflé à vitesse supersonique par le haut sur le bain en fusion.

[0002] Lors de la conception d'une telle lance d'affinage on tient compte de toute une série de paramètres, dont essentiellement la vitesse du jet exprimée par le nombre de Mach et le débit gazeux optimal, ce dernier dépendant des réactions visées, ainsi que de la masse métallique contenue dans le récipient, qui est en général un convertisseur. Pour obtenir un jet supersonique, le conduit central d'évacuation du gaz comporte normalement une partie convergente suivie d'un col cylin­drique plus ou moins long, ainsi que d'une partie divergente en aval. Un tel conduit central est désigné par le nom de 'tuyère de Laval'. Il est par ailleurs connu que le nombre de Mach dépend de la pression de la source d'alimentation en gaz, alors que le débit optimal est lui fonction de la pression d'entrée au niveau de la tuyére et du diamètre du col du convergent.

[0003] Comme la configuration géométrique de la tuyère est déterminante pour les caractéristiques du jet, des paramètres comme le nombre de Mach et le débit optimal ne peuvent pas être variés l'un indépendamment de l'autre. Celà veut dire qui si une lance a été conçue pour avoir un débit élevé, on ne peut par exemple pas procéder à un soufflage à jet dur et à débit réduit, ni passer à un soufflage mou et à débit réduit, sans qu'on s'éloigne dans un sens ou dans l'autre des grandeurs optimales résultant de la configuration géométrique de la tuyère. Si l'on essaie de dépasser les limites du débit et de la vitesse de sortie, il se crée à l'intérieur du récipient métallurgique et aux abords de l'embouchure de la lance des ondes de choc. La conséquence en est que les caractéristiques du jet se dégradent et que l'usure de la lance progresse rapidement.

[0004] Or, le métallurgiste est souvent confronté à des situations où il aurait grand avantage à changer les caractéristiques du jet au cours de certaines phases de l'affinage. Ainsi, lorsqu'il s'agit de former un laitier fortement oxydé, il est recommandé d'insuffler un jet vertical mou avec un débit élevé. Tout aussi fréquemment il faut un jet d'oxygène vertical dur pour un débit total réduit. Cette dernière manière d'opération est indiquée lorsqu'il s'agit de réduire le volume total d'oxygène afin de ne pas oxyder le laitier, mais d'avoir un jet dur et pénétrant pour garantir une décarburation vigoureuse du métal. Ainsi, pour pouvoir faire face avec une même lance à des conditions d'affinage diamétralement opposées, il faut que cette lance permette de débiter l'oxygéne tout aussi bien en jet dur avec débit réduit, qu'en jet mou avec débit élevé.

[0005] Une telle lance de soufflage d'oxygène, qui comprend une tuyère de Laval et qui permet de varier le nombre de Mach et le débit optimal l'un indépendamment de l'autre, a été décrite dans la demande de brevet Européen no 235.621. A cet effet il est prévu de pouvoir réduire mécaniquement la section de passage du jet d'oxygène primaire dans la tuyère et de contrôler les caractéristiques du jet primaire à la sortie de la tuyère au moyen d'un rideau gazeux secondaire qui enveloppe complètement le jet primaire. Par ailleurs la pression de chacun des deux gaz peut être réglée l'une indépendamment de l'autre. La section de passage du jet primaire dans la tuyère est diminuée ou agrandie au moyen d'une pointe en forme d'aiguille très effilée qui est mobile le long de l'axe de la tuyère. Mais cette lance assez sophistiquée n'est pas très aisément maniable du fait que le jet primaire et l'enveloppe secondaire s'influencent mutuellement et qu'il s'agit de moduler un grand nombre de paramètres l'un en fonction de l'autre, ce qui rend aléatoire l'exploitation de la lance aux limites des possibilités de régulation auxquelles il faut avoir recours pour obtenir les caractéristiques extrêmes du jet d'affinage.

[0006] Aussi, l'objet de la présente invention est-il de proposer une lance de soufflage d'oxygène comprenant une tuyère de Laval, qui, de concert avec un dispositif d'obturation central de configuration spécifique, permette de façon aisée d'atteindre et de varier les caractéristiques extrêmes d'un jet d'oxygène, sans avoir recours à un jet auxiliaire périphérique. Par ailleurs il faut éviter ou du moins minimiser à l'extrême la création de turbulences, ceci pour n'importe quel mode de fonctionnement de cette tuyère de Laval. Enfin les moyens mécaniques mis en oeuvre doivent être d'un encombrement réduit, fonctionner à puissance motrice réduite et comporter un minimum de pièces mobiles.

[0007] Cet objectif suivant l'invention est atteint par une lance conforme à l'invention telle qu'elle est caractérisée dans la revendication indépendante. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.

[0008] L'avantage principal du nouveau concept de lance suivant l'invention réside dans la possibilité offerte au métallurgiste de pouvoir adapter aisément à chaque instant de l'affinage les conditions d'injection du jet d'oxygène en fonction des exigences métallurgiques en variant dans les limites désirées le volume de l'oxygène d'affinage, tout en étant en même temps en mesure d'imprimer au jet la vitesse désirée.

[0009] L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant aux dessins dans lesquels:

- la fig. 1 est une coupe à travers une forme d'exécution préférée de la partie de lance comprenant la conduite d'évacuation du gaz façonnée en tuyère de Laval, ainsi que l'extrémité profilée du corps qui sert par déplacement axial à régler le profil du passage d'écoulement du gaz, et

- la fig. 2 est une coupe à travers une forme d'exécution du corps central avec ses parties mobiles et ses parties fixes logeant le mécanisme d'entraînement.

[0010] La fig. 1 montre la tuyère de Laval avec ses parties à sections variables, ainsi que le nez profilé 6 du corps de réglage central 5, situés tous les deux dans l'extrémité inférieure ou tête de la lance. La tête de lance comprend par ailleurs les parties suivantes:
- en amont de l'extrémité supérieure de la lance, normalement à proximité du point de suspension de la lance à son chariot, une vanne de régulation qui permet de faire varier la pression d'entrée du gaz avec la précision désirée et dans les limites préétablies.
- à l'extrémité inférieure, ou nez de la lance, l'embouchure (près du bord supérieur de la page) d'où émerge le jet de gaz projeté contre la surface du bain à traiter.
- dans la direction radiale et à l'extérieur de la conduite centrale 1, soit un manchon de protection en matière réfractaire, soit un assemblage de tuyaux et conduites concentriques pour véhiculer l'eau de refroidissement et éventuellement de l'oxygène de postcombustion injecté indépendamment du jet primaire central. Ces éléments qui ne rentrent pas en eux-mêmes dans l'objet de l'invention n'ont pas été illustrés.

[0011] La tuyère de Laval telle qu'illustrée comprend dans la direction d'écoulement du gaz d'abord une partie convergente 4, ensuite un col cylindrique 3 et enfin une partie divergente. La longueur et la forme des parties convergente et divergente sont choisies en fonction du profil et de la position du nez 6 du corps de réglage central 5 ou vice-versa. Il est à noter que la longueur du col cylindrique 3 peut être extrêmement courte et se réduire à la limite à un simple plan.

[0012] La partie supérieure du corps de réglage central 5 est reçue de façon mobile dans l'extrémité inférieure d'un boitier cylindrique en cuivre 7, tel qu'illustré par la fig. 2. Le boitier 7 est lui-même relié de façon rigide à la conduite d'évacuation de l'oxygène au moyen de pièces d'écartement radiales. Le corps de réglage 5 à la tête du boitier 7 est échangeable, sa fixation étant réalisée de préférence par vissage. Il peut être déplacé vers le bas ou vers le haut le long de l'axe de la lance sous l'action d'une force motrice, qui peut par exemple être fournie par un moteur pas-à-pas linéaire. A cet effet le corps de réglage 5 est relié à une tige mobile 8 actionnée par le cylindre de positionnement 13 solidaire d'un moteur. Le moteur est actionné en fonction de consignes réçues de la part d'un dispositif de contrôle éléctronique, qui transforme des dates d'entrée, comme par exemple le débit gazeux réel, le débit gazeux désiré et la position momentanée de la tige 8, pour en déduire la nouvelle position requise de la tige 8.

[0013] En amont du convergent 4 de la tuyère de Laval la cavité 9 est rendue étanche vis-à-vis du flux d'oxygène au moyen de joints toriques. Plus en aval il existe par contre une communication entre la zone du col 3 et la cavité 9 grâce à des rainures qui s'étendent axialement depuis la cavité 9 jusqu'à la surface de la partie profilée du nez 6 du corps de réglage central 5. Grâce à cette mesure la force motrice pour l'actionnement du corps de réglage central 5 peut être sensiblement plus réduite. En effet, le long du profil du nez 6 il regne une sous-­pression - variable selon le point considéré et selon les paramètres d'opération de la lance - qui tend à aspirer le corps de réglage central 5 vers l'orifice de la lance. Grâce aux rainures 11, la sous-­pression regnant à l'extérieur s'établit aussi à l'intérieur de la cavité.

[0014] Dans le voisinage de l'orifice ou nez de la lance de soufflage, une zone divergente classique, visible sur la fig. 1 et constituée par la partie à évasement tronconique 2.1 de la conduite centrale d'oxygène, s'étend depuis le nez de lance jusqu'à une certaine distance en amont et contrôle de manière usuelle l'expansion du jet d'oxygène. En amont de cette région terminale, la nouvelle zone divergente est constituée par la partie profilée du nez 6 du corps de réglage central 5 qui provoque l'expansion du gaz et elle est délimitée extérieurement par le tube périphérique 2.2, qui a de préférence une forme cylindrique. Ce tube n'exerce pourtant pas d'influence majeure dans la dynamique d'expansion du gaz. Pour ce qui est de la forme géométrique de la pointe du nez 6 du corps de réglage central 5, elle est liée à celle de la partie convergente 4 ou vice-versa. La forme est déterminée soit par des calculs, soit par des essais empiriques, de telle façon que les turbulences restent réduites au minimum et que le gaz est accéléré progressivement. Il apparaît qu'avec un profilage approprié du nez 6 du corps de réglage central 5, par exemple celui illustré par la figure 1, la partie prépondérante de l'expansion du gaz se fait le long de cette partie. Il s'ensuit que la zone divergente classique 2.1 perd la plus grande partie de son importance et qu'à la limite on peut envisager sa suppression.

[0015] Le col 3 suivant l'invention est constitué par une paroi de guidage extérieure de forme cylindrique avec section constante - tout comme elle est d'usage dans les tuyères classiques - et en outre par une paroi de guidage interne de forme cylindrique formée par la paroi latérale du corps de réglage central 5. L'extension de ce col dépend de la position du corps de réglage central 5 et elle peut être réduite dans le cas limite à un simple plan séparant la partie convergente de la partie divergente.

[0016] Le convergent 4 est délimité par une surface cylindrique intérieure, formée par la paroi latérale du corps de réglage central 5 et par un profil convergent extérieur 4.1, constitué par la paroi interne de la tuyère. La configuration de la zone convergente est un peu moins critique que celle du nouveau profil divergent déterminé par le contour du nez 6 du corps de réglage central 5 et on pourrait aller jusqu'à lui donner une simple forme conique. Néanmoins il reste que les avantages de l'invention sont obtenus de façon optimale si la paroi 4.1 est profilée et si ce profil est complémentaire à celui de la partie pointue du nez 6 corps de réglage central 5.

[0017] Suivant la forme d'exécution préférée de l'invention l'intersection de la partie profilée du nez 6 du corps de réglage central 5 avec un plan contenant l'axe de la tuyère, présente des parties paraboliques qui délimitent l'extrémité pointue du profil du nez 6 et qui sont reliées au corps de réglage central 5 par des tracés sensiblement circulaires. Le but de cette configuration est d'éliminer dans toute la mesure du possible les discontinuités susceptibles de créer des perturbations.

[0018] D'après la manière normale d'opération d'une telle lance on choisit une pression donnée pour la source du gaz - par le positionnement de la vanne dans le circuit d'évacuation - et on varie le débit du gaz en modifiant la position du nez 6 du corps de réglage central 5. De cette façon on varie effectivement le débit du gaz pour un nombre de Mach donné sans provoquer l'éclatement du jet. On peut toutefois également passer aisément du mode opératoire établi plus ou moins comme mode de routine à des conditions de régulation limites. Ainsi, le jet de gaz le plus mou possible est obtenu en choisissant pour la source du gaz une basse pression et en avançant au maximum le corps de réglage central 5, de sorte à réduire à un minimum la section effective laissée libre dans le conduit d'oxygène. L'autre condition limite consiste dans un jet extrêmement dur, qui est obtenu si la pression de la source de gaz est élevée et si le corps de réglage central 5 est rétracté au maximum, c'est-à-dire que la section libre effective dans le col du conduit principal est la plus grande possible.

[0019] Il est à noter que si des lances des tuyères de Laval classiques ont été conçues soit pour un jet dur, soit pour un jet mou, elles sont complètement inappropriées pour des phases d'affinage demandant des conditions de soufflage autres que celles pour lesquelles les lances ont été construites. En effet, une lance conçue pour fournir un jet mou ne permet pas d'accroître substantiellement l'accélération du gaz, alors qu'avec une lance construite pour obtenir un jet dur les quantités de gaz éjectées ne peuvent pas être augmentées à volonté. Dans les deux cas l'augmentation de la pression à la source du gaz aboutit à la formation d'ondes de choc, qui entravent l'accélération du gaz et en limitent le débit.

Revendications

1. Lance de soufflage de gaz, qui est utilisée pour l'affinage d'un bain liquide d'un métal ou d'un ferro-alliage contenu dans un récipient métallurgique et qui comprend dans sa partie terminale d'un côté une tuyère de Laval ayant des sections différentes correspondant dans la direction d'écoulement du gaz à une zone convergente (4) suivie d'un col (3) et d'une zone divergente (2) près du nez de la lance et d'un autre côté un corps de réglage central (5) mobile le long de l'axe de la tuyère dans la zone du col (3), caractérisée en ce qu'une zone divergente est délimitée par une paroi sensiblement cylindrique de la conduite intérieure (1) du gaz et par un nez (6) qui dépasse le corps de réglage central (5) par ailleurs cylindrique et qui est profilé afin d'assurer une expansion du gaz.

2. Lance suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le contour du nez (6) est profilé de telle façon que les courbes obtenues par son intersection avec un plan passant par l'axe du corps de réglage central (5) présentent vers leurs milieux un point d'inflexion.

3. Lance suivant une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la variation de la section du nez (6) le long de l'axe du corps de réglage central (5) dans un plan normal à celui-ci est faible du côté du corps de réglage central (5), élevée vers le milieu du nez (6) et réduite vers son extrémité.

4. Lance suivant une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'intersection du nez (6) avec un plan contenant l'axe du corps de réglage central (5) présente des parties paraboliques reliées au corps cylindrique par des tracés sensiblement circulaires.

5. Lance suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le nez (6) profilé du corps de réglage central (5) est échangeable.

6. Lance suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de réglage central (5) est mobile dans une cavité (9) allongée entourant l'extrémité inférieure dudit corps, la cavité (9) étant isolée au niveau de la zone convergente 4.1 de manière étanche vis-à-­ vis du flux de gaz s'écoulant à travers le conduit central au moyen de joints toriques (10).

7. Lance suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la cavité (9) communique avec le flux du gaz par l'intermédiaire d'évidements (11) dans le nez (6) du corps de réglage central (5).

8. Lance suivant une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les courbes d'intersection de la partie profilée du nez (6) et de la partie convergente 4.1 par un plan passant par l'axe de la lance peuvent être déduites au moins en partie l'une de l'autre par homothétie.

Dessins