Lance d'injection pour récipient métallurgique et son procédé de fabrication

Abstract

 La lance pour injecter un gaz et/ou une poudre au sein d'un métal en fusion, comprend un tube (1) recouvert par un revêtement (2) en matière réfractaire.
La matière constituant le revêtement (2) est composée de particules réfractaires et basiques, ou silico-­alumineuses ou alumineuses, enrobées dans un liant. Ces particules réfractaires sont frittables à la température du métal en fusion.
Utilisation notamment pour injecter un gaz tel que de l'argon dans l'acier en fusion contenu dans une poche de coulée.

Description

[0001] La présente invention concerne une lance pour injecter un gaz tel que de l'argon ou une poudre dans un métal tel que de l'acier en fusion contenu dans un récipient métallurgique tel qu'une poche de coulée.

[0002] L'invention vise également le procédé de fabrication d'une telle lance d'injection.

[0003] Il est connu d'utiliser des lances devant servir à l'injection d'argon dans des poches de coulée ou à la désulfuration de poches tonneaux appelées également poches torpédos. On procède également à l'aide de telles lances à la désiliciation et à la déphosphoration des métaux à l'état fondu.

[0004] On impose actuellement à de telles lances d'atteindre une durée de vie totale correspondant par exemple à plusieurs injections de magnésium au sein d'un bain de 400 tonnes de métal liquide de l'ordre de 280 mn afin de le désulfurer. Ainsi, à raison de 4 min. par injection, chaque lance doit durer environ 70 opérations.

[0005] De telles performances sont atteintes actuellement par des lances constituées d'un tube métallique d'une longueur d'environ 5 m ayant un diamètre extérieur important (de l'ordre d'une soixantaine de mm). Ce tube est habituellement enduit d'un ciment réfractaire alumineux, d'une épaisseur d'environ 80 mm. L'ensemble de la lance pèse de 400 à 500 kilos, ce qui est considérable.

[0006] L'importance des dimensions du tube et du revêtement réfractaire de ces lances connues, est rendu nécessaire pour d'une part atteindre les objectifs précités de durée de vie et d'autre part afin de tenir compte du fait que plus la lance est épaisse, plus son effet de mouvement pendulaire au sein du métal liquide aura de l'ampleur. Ces lances connues, outre le fait qu'elles sont lourdes, sont également onéreuses, difficiles à manier et à réparer.

[0007] Il est également connu de revêtir des lances à injection de matériaux compressibles, comportant une forte teneur pondérale en fibres minérales, par exemple de 30 à 60% et une teneur élevée en produits carbonés par exemple de l'ordre de 40 à 70%. Ces revêtements présentent d'une part le désavantage de recarburer le bain de métal liquide et d'autre part de perdre leur cohésion mécanique sous l'effet de la chaleur. Par ailleurs, de tels revêtements ont une résistance à l'érosion très faible et il est pratiquement impossible de les réparer.

[0008] Il a également été préconisé de revêtir les revêtements de lances à injection à l'aide de produits ayant un trop fort pourcentage de silice, par exemple de l'ordre de 80 à 90% en poids, ce qui est à présent proscrit dans toutes les acieries du fait de l'effet néfaste de la silice dans un bain d'acier calmé à aluminium et/ou à haute teneur en manganèse.

[0009] Il existe également des revêtements de lances à injection à base de chromite et de silice agglomérés à l'aide de liants minéraux. Ces revêtements présentent le désavantage d'amener un taux de silice et de chrome indésirable dans la plupart des aciers, d'être trop onéreux et de ne pas résister suffisamment longtemps au contact du métal liquide.

[0010] On connaît également des lances comportant un revêtement réfractaire appliqué sur celles-ci à l'aide d'un chalumeau à plasma ainsi que des lances protégées par diffusion d'aluminium dans leur surface. De telles lances sont onéreuses, nécessitent un temps de fabrication très long et très complexe. Du fait de la faible épaisseur du revêtement qui est de l'ordre de 0,05 à 1 mm, ces lances sont très fragiles : le moindre défaut, la moindre fissure dans le revêtement entraîne la fusion de la lance. Ces lances sont plutôt des lances à fusion retardée ; elles se consomment au fur et à mesure de leur enfoncement dans le bain d'acier.

[0011] Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités et de présenter une lance à injection jetable de conception très simple, peu onéreuse, maniable, non polluante pour le métal liquide et ne favorisant pas, du fait de son plus faible diamètre, l'effet pendulaire de l'ensemble par le bouillonnement produit par l'injection.

[0012] Suivant l'invention, la lance pour injecter un gaz et/ou une poudre au sein d'un métal en fusion, comprenant un tube recouvert par un revêtement en matière réfractaire est caractérisée en ce que cette matière est composée d'un mélange de particules réfractaires à caractère basique ou alumineux, ou silico-alumineux enrobées dans un liant, ce mélange étant frittable à la température du métal en fusion.

[0013] Le frittage de ce mélange permet d'assurer au revêtement une forte cohésion mécanique, de sorte que ce revêtement résiste sans dégradation à un contact prolongé avec le métal en fusion. Par ailleurs, grâce à cette forte cohésion mécanique et à l'isolation thermique conférée au revêtement par sa porosité, ce revêtement peut être relativement peu épais. Ainsi la lance conforme à l'invention est à la fois très maniable et peu onéreuse, de sorte que l'on peut facilement la jeter après plusieurs utilisations et la remplacer par une lance neuve.

[0014] Par ailleurs, grâce à la nature frittable du mélange à caractère basique ou alumineux ou silico-alumineux du revêtement, on évite d'introduire dans le métal liquide des quantités nuisibles de silice, même si cette dernière est réduite par un métal d'addition tel que Ca-Al.

[0015] Le tube intérieur de la lance conforme à l'invention peut être en métal ou même en une matière plus légère telle qu'une matière à base de fibres, choisie parmi les suivantes :
- fibres de cellulose,
- fibres synthétiques,
- fibres de carbone,
- fibres de Kevlar ou autres fibres synthétiques,
- fibres minérales, réfractaires et les mélanges de ces fibres, telles que fibres de laitier, de verre, de roches silico-alumineuses, alumineuses et autres fibres réfractaires.

[0016] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.

[0017] Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale avec arrachements d'une lance à injection conforme à l'invention,

- la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, concernant une variante de réalisation,

- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une lance conforme à l'invention, illustrant un premier mode de fabrication de celle-ci.

- la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 illustrant un second mode de fabrication de la lance,

- la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 illustrant un troisième mode de fabrication de la lance.

[0018] Dans la réalisation de la figure 1, la lance à injection de gaz tel que l'argon ou de la poudre, comprend un tube 1 en métal ou en matière fibreuse, comportant un embout fileté la destiné à être raccordé à une tuyauterie reliée à une source de gaz ou de poudre sous pression.

[0019] Ce tube 1 a par exemple un diamètre extérieur de 30 mm.

[0020] Le métal constituant le tube 1 peut être de l'acier ou de l'aluminium.

[0021] Ce tube 1 peut également être en matière cellulosique, par exemple en carton ou en matière synthétique par exemple en chlorure de polyvinyle ou à base de fibres de carbone, de Kevlar ou en matière réfractaire telle que porcelaine, chamotte agglomérée, verre type verre de quartz ou constitué de fibres céramiques, de fibres minérales (par exemple laine de verre, de roche, de laitier, de basalte, de kaolin).

[0022] Le tube 1 est dans sa partie destinée à plonger dans le métal liquide, recouvert entièrement par un revêtement 2 réalisé dans une matière qui est composée d'un mélange de particules réfractaires à caractère basique, ou alumineux ou silico-alumineux enrobées dans un liant organique ou inorganique. La nature, la composition et la granulométrie du mélange des particules réfractaires et basiques ou alumineuses ou silico-alumineuses qui composent le revêtement 2 sont telles que ce mélange fritte à la température du métal en fusion.

[0023] On donne ci-après à titre d'exemple non limitatif, la composition pondérale du revêtement 2 de la lance conforme à l'invention.
. Tensios-actifs (agents mouillants ou dispersants tels que par exemple du ligno-sulfonate et/ou du polyphosphate : 0 à 2%, de préférence 1%
. Silice colloïdale et/ou cendre de silicium : 0 à 8%, de préférence 0,5%
. Magnésie et/ou composé d'oxyde de magnésie à forte teneur en oxyde de magnésie, tel que magnésie, magnésie chrome et/ou olivine, ou alumineux ou silico-alumineux tels que chamotte et/ou silimanite et/ou mullite et/ou bauxite et/ou gibbsite et/ou corindon et/ou alumine tabulaire, de granulométrie comprise entre 0,2 et 5 mm.............3 à 96%, de préférence 15%
. Magnésie et/ou composé d'oxyde de magnésie à forte teneur en oxyde de magnésie, tel que magnésie, magnésie-­chrome ou alumineux ou silico-alumineux tels que chamotte et/ou silimanite et/ou mullite et/ou bauxite et/ou gibbsite et/ou corindon et/ou alumine tabulaire, de granulométrie comprise entre 0 et 0,2 mm : 30 à 96%, de préférence 58,5%.
Ce mélange fritte aux environs de 1000°C à 1350°C.
. Fibres organiques telles que fibres cellulosiques, telles que papier, et/ou fibres végétales telles que chanvre, jute, lin, coton et/ou synthétique, par exemple Kevlar, polyester, polyamide, carbone : 0 à 3%, de préférence 1% et les mélanges de ces fibres.
. Fondant tel que borate de calcium et/ou oxydes de fer et/ou les composés du sodium : 0 à 20%, de préférence 1,5%
. Acide borique (agent de frittage et agglutinant aux environs de 180°C) ..............0 à 3%, de préférence 2%
. Carbone et/ou un métal tel que Al, Si, Mg et/ou leurs mélanges et combinaisons, par exemple CSi : 0 à 10%, de préférence 5%
. Colle naturelle et/ou synthétique et/ou organique par exemple fécule, amidon et/ou résine phénol-formol, et/ou urée-formol en poudre et/ou colle minérale telle que silicate d'éthyl et/ou de sodium et/ou ciment magnésien (sulfate et chlorure de magnésium) et/ou liant phosphatique et/ou ciment Portland et/ou ciment alumineux et/ou leur mélange) : 0 à 18%, de préférence 5%
. Fibres minérales telles que par exemple fibres de verre, fibres de roche, fibres de laitier : 0 à 10%, de préférence 1% et les mélanges de ces fibres.
. Plastifiants minéraux et/ou organiques tels que argile, bentonite, carboxyméthylcellulose, mélasse, sucre : 0 à 5%, de préférence 2,5%

[0024] Le revêtement 2 présente l'avantage d'être relativement peu dense et d'être en même temps réfractaire et isolant thermique.

[0025] La cohésion mécanique de ce revêtement est assurée par le fait que les particules inorganiques frittent entre elles à la température du métal liquide. Ce frittage crée également au sein du revêtement des pores qui confèrent à celui-ci une isolation thermique suffisante pour protéger le tube 1 contre les risques de fusion lorsqu'il est en métal ou de dégradation lorsqu'il est dans une autre matière.

[0026] Grâce à son excellente tenue thermique et mécanique, le revêtement 2 peut être relativement mince. Cette épaisseur n'excédera généralement pas 35 mm dans le cas d'un tube 1 de 30 mm d'épaisseur. La lance conforme à l'invention est par conséquent légère et aisément manipulable, tout en étant peu onéreuse. Celle-ci peut ainsi être jetée sans inconvénient à partir d'un certain nombre d'utilisations, pour être remplacée par une lance neuve.

[0027] Le revêtement 2 peut bien entendu être réalisé en plusieurs couches successives de natures différentes plus ou moins frittables, l'essentiel étant que la couche extérieure soit composée d'un mélange frittable, qu'il soit à caractère basique ou silico-alumineux ou alumineux. Les couches sous-­jacentes qui ne sont pas destinées à être en contact direct avec le métal liquide peuvent renfermer des constituants de n'importe quelle nature, c'est-à-dire : basique ou acide alumineux ou silico-alumineux, qui peuvent comporter des métaux et/ou des oxydes métalliques et/ou des produits carbonés au lieu d'être uniquement des composés à prédominance basique ou alumineuse ou silico-alimineuse ou siliceuse. Le revêtement 2 peut également être réalisé d'une seule pièce comme indiqué sur la figure 1 ou être constitué par plusieurs éléments assemblés les uns aux autres, par emboîtement ou vissage, l'étanchéité entre ces éléments étant réalisée à l'aide d'un ciment ou d'un mastic réfractaire ou de tout autre moyen de jointoiement tel que des rondelles en matière incombustible et analogue.

[0028] L'adhérence du revêtement 2 sur le tube 1 peut être renforcée par des moyens d'accrochage solidaires du tube 1 tels que picots, agrafes, grillages, fils métalliques soudés ou agrafés au tube 1.

[0029]  L'adhérence du revêtement 2 sur le tube 1 peut également être une adhérence par enduction du tube avec un agent collant tel que silicate d'alcalin, coulis de ciment, solution de phosphate, mastic, sable avec ou sans résine (le sable peut être en lui-même frittable ou non aux températures entrant dans ce cas en jeu).

[0030] Dans la réalisation de la figure 1, l'extrémité 1b du tube 1 est entièrement recouverte par le revêtement 2. Cette partie 2a du revêtement qui recouvre l'extrémité 1b du tube 1 est traversée par trois canaux 4 disposés à 120° l'un de l'autre et transversaux par rapport à l'axe du tube 1. Le nombre de ces canaux 4 et leur angle par rapport à l'axe du tube 1 peut varier en fonction de la pression du gaz insufflé dans le tube, du débit de ce gaz et de l'emplacement qu'occupe la lance par rapport aux parois du récipient métallurgique contenant le métal liquide que l'on veut traiter.

[0031] L'extrémité de la lance peut également se terminer suivant le plan P représenté en trait mixte sur la figure 1. Dans ce cas, le tube 1 débouche directement à l'extérieur de la lance. On peut cependant incorporer dans l'extrémité de ce tube 1 un bouchon poreux 5 (représenté en pointillés).

[0032] Des bouchons poreux peuvent également être incorporés dans les canaux 4.

[0033] L'embout fileté 1a du tube 1 peut être raccordé à un appareillage siuté au-dessus du récipient métallurgique contenant le métal à traiter et capable de déplacer la lance suivant un mouvement de translation axial et/ou latéral.

[0034] La réalisation représenté sur la figure 2 diffère de celle de la figure 1 par le fait que l'extrémité de la lance comprend une tête 3 amovible vissée ou emboîtée sur l'extrémité 1b du tube, cette tête 3 comportant des canaux 4, comme dans le cas de la réalisation selon la figure 1.

[0035] On va maintenant décrire en référence aux figures 3, 4 et 5, divers modes de fabrication de la lance conforme à l'invention.

[0036] Dans le mode de fabrication illustré par la figure 3, on applique la composition du revêtement 2 sous forme de boue aqueuse sur un cylindre perforé 6 recouvert d'un grillage fin 7 et on fait le vide à l'intérieur du cylindre perforé 6 à travers le tube 1 pour aspirer dans celui-ci l'eau contenue dans la boue formant le revêtement 2. A la fin de cette opération, le revêtement 2 est ensuite durci dans un four. Le revêtement 2 est réalisé, soit d'une seule pièce, soit en plusieurs éléments dont les extrémités forment de préférence un assemblage étanche du type "tenon et mortaise".

[0037] Le tube 1 est au départ rétracté du cylindre perforé 6, comme indiqué sur la figure 3. En fin d'opération, on enfonce le tube 1 dans le cylindre perforé 6. Le tube 1 est rendu solidaire du cylindre perforé 6 grâce à des moyens d'encliquetage complémentaires 8, 9 ou autres tels que des moyens coopérant par vissage.

[0038] Pour réaliser des canaux latéraux dans le revêtement 2, on munit celui-ci de boulons 10 traversant le revêtement 2 et le cylindre perforé 6 qui obturent les canaux latéraux lors de la mise sous vide de l'intérieur du cylindre perforé 7.

[0039] Par ailleurs, le tube 1 est pourvu de tubulures latérales destinées à venir en regard des boulons 10 lorsque le tube 1 est enfoncé dans le cylindre perforé 6. Après enlèvement du boulon 10, les canaux formés par ceux-ci dans le revêtement 2 communiquent avec l'intérieur du tube 1.

[0040] On peut également désaccoupler le revêtement 2, composé d'un ou de plusieurs manchons, du cylindre perforé 6 recouvert du grillage fin 7 ; l'encliquetage 8 ou des moyens coopérant par vissage sont noyés à poste fixe, dans la masse de l'extrémité inférieure du revêtement 2 sur lequel vient s'encliqueter ou se visser le tube 1. S'il subsiste un jeu entre la surface extérieure du tube 1 et la surface intérieure du revêtement 2, on peut le combler, de préférence à l'aide de ciment et/ou de grains réfractaires.

[0041] Selon le mode de fabrication de la figure 4, le revêtement 2 est appliqué par pulvérisation sur un tube cylindrique 11 monté en rotation suivant un axe sur un appareil 12 tel qu'un tour. On peut y adjoindre un cylindre rotatif à surfacer (11a) et prévoir un bac à boues dans lequel plonge au moins en partie le tube 11.

[0042] Au-dessus du tube cylindrique 11, on dispose une ou plusieurs busette 13 pulvérisant la boue aqueuse constituant le revêtement 2. Cette busette 13 est montée en translation et en rotation suivant un axe 14 parallèle à l'axe du tube 11.

[0043] Selon le mode de fabrication de la figure 5, la boue aqueuse devant constituer le revêtement 2 est introduite par gravité (demi-vue de droite) ou par injection sous pression (demi-vue de gauche) dans un moule composé d'un cylindre extérieur 15, constitué par un récipient cylindrique ou par deux demi-coquilles amovibles, et d'un tube intérieur 1. Ce tube 1 est garni, par exemple, extérieurement par un fil 16 enroulé en hélice qui permet d'améliorer l'adhérence entre le revêtement 2 et le tube 1.

[0044] Le cylindre extérieur 15 comporte en son intérieur des boulons 17 amovibles en même temps que les deux demi-­coquilles de ce cylindre 15 pour former les canaux traversant le revêtement 2 et communiquant avec l'intérieur du tube 1. L'ensemble du moule est de préférence posé sur une table vibrante 18.

[0045] Lorsque le cylindre 15 est destiné à être une partie intégrante de la lance à injection, les boulons 17 amovibles pour former les canaux sont prévus à l'extérieur dudit cylindre.

Revendications

1. Lance pour injecter un gaz et/ou une poudre au sein d'un métal en fusion, comprenant un tube (1) recouvert par un revêtement (2) en matière réfractaire, caractérisée en ce que cette matière est composée d'un mélange de particules réfractaires à caractère basique ou silico-alumineux ou alumineux enrobées dans un liant, ce mélange réfractaire étant frittable à la température du métal en fusion.

2. Lance conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le tube (1) est en métal.

3. Lance conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le tube (1) est en matière à base de fibres choisies parmi les suivantes :
- fibres de cellulose,
- fibres synthétiques,
- fibres de carbone,
- fibres de Kevlar,
- fibres minérales réfractaires et les mélanges de ces fibres.

4. Lance conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est constituée par plusieurs éléments assemblés les uns aux autres.

5. Lance conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le tube (1) comprend des moyens d'accrochage du revêtement.

6. Lance conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le revêtement a la composition pondérale suivante :
. Composés tensio-actifs (agents mouillants ou dispersants) .............................0 à 2%
. Silice colloïdale et/ou cendre de silicium ... 0 à 8%
. Magnésie et/ou autres composés magnésiens ou alumineux ou silico-alumineux sous forme de poudre, de granulométrie comprise entre 0,2 et 5 mm .................... 3 à 96%
. Magnésie ou autres composés magnésiens ou silico-alumineux ou alumineux, sous forme de poudre de granulométrie inférieure à 0,2 mm ......................................................... 15 à 96%
. Fibres (cellulosiques, végétales, organiques, synthétiques ou minérales et leur mélange) .... 0 à 6%
. Fondants ....................................................... 0 à 20%
. Acide borique ............................................. 0 à 3%
. Carbone et/ou autres réducteurs ....... 0 à 10%
. Liants organiques ou inorganiques ... 0 à 18%
. Plastifiants minéraux ou organiques. 0 à 5%

7. Lance conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le revêtement (2) comprend une partie qui recouvre entièrement l'extrémité du tube (1), cette partie étant traversée par des canaux (4) débouchant à l'intérieur du tube et s'étendant transversalement par rapport à l'axe de ce tube.

8. Lance conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que ladite partie du revêtement est amovible par rapport au reste du revêtement.

9. Lance conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un manteau métallique extérieur.

10. Procédé pour la fabrication d'une lance d'injection conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on applique autour d'un tube (6, 11, 1) une boue aqueuse renfermant les constituants du revêtement (2).

11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on applique la boue aqueuse autour d'un cylindre perforé (6), on fait le vide à l'intérieur de celui-­ci et on fixe à l'intérieur du cylindre (6) ou du revêtement (2) un tube (1), le revêtement (2) étant réalisé en un seul ou en plusieurs manchons, l'espace libre pouvant subsister entre (6) ou (2) et (1) étant rempli, de préférence, de ciment et/ou de grains réfractaires additionnés ou non de résine, frittable ou non frittable.

12. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on pulvérise la boue aqueuse sur un tube (11) au moyen d'une ou plusieurs busette (13) que l'on déplace parallèlement à l'axe du tube, et on fait tourner ce dernier autour de son axe.

13. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on introduit la boue aqueuse dans un moule comprenant un tube cylindrique extérieur (15) en deux parties amovibles et un tube intérieur (1).

14. Procédé conforme aux revendications 1 à10, caractérisé en ce qu'on introduit de la boue aqueuse entre un manteau extérieur (15) et un tube intérieur (1), ledit manteau faisant partie intégrante de l'ensemble.

Dessins