EP0125198B1 - Apparatus for accelerating solid particles - Google Patents

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EP0125198B1
EP0125198B1 EP84630036A EP84630036A EP0125198B1 EP 0125198 B1 EP0125198 B1 EP 0125198B1 EP 84630036 A EP84630036 A EP 84630036A EP 84630036 A EP84630036 A EP 84630036A EP 0125198 B1 EP0125198 B1 EP 0125198B1
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EP
European Patent Office
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gas
lance
section
conduit
solid particles
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EP84630036A
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EP0125198A1 (en
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François Schleimer
Clement Burton
André Bock
Jean Peckels
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Arcelor Luxembourg SA
Original Assignee
Arbed SA
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Publication date
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Publication of EP0125198A1 publication Critical patent/EP0125198A1/en
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/068—Decarburising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0025—Adding carbon material
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    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/30—Regulating or controlling the blowing
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors

Definitions

  • the present invention relates to a device for accelerating solid particles via a gas.
  • Such devices can in particular be used to recarburize steel baths in the process of refining.
  • the consumption of scrap metal per ton of liquid pig iron is commonly around 300 kg when converting lean pig iron and around 400 kg for phosphorous pig iron. To reduce the cost price of steel, these addition rates must be exceeded.
  • One of the known methods consists in increasing the post-combustion rate of the CO emerging from the bath, while ensuring that the bath absorbs a maximum of the released heat. Another method is to heat the metal bath using additional energy sources.
  • the applicant has described in its patent application LU 84444 a system for supplying solids with a blowing lance used to supply a metal bath with fuel.
  • the installation used comprises at least one source of compressed gas, a circuit for supplying carbonaceous material suspended in a gas, at least one circuit for supplying sweeping gas, means for metering the different flow rates of gas and carbonaceous material and means for separately or jointly connecting said circuits to a conduit leading to the lance.
  • nozzles comprising a converging, a groove and a diverging so that the diverging zone has a concave shape, which is connected to the groove having a substantially convex profile.
  • the length of the ducts depends on the location of the cellular metering device and the lance-carrying carriage.
  • the lance heads just like the lance-carrying carriages do not allow certain diameters of the conduits to be exceeded for reasons of sizing resp. weight.
  • the object of the invention is to propose an acceleration device which solves the problems set out above and which is, on the one hand, capable of supplying at its outlet a jet of concentrated granular material, having as high a speed as possible and which d another side is capable of being easily integrated into existing installations.
  • the idea underlying the invention stems from tests carried out on lances of various dimensions, fed by gas pressures and various gas / solid particle mixtures and tending to adjust the decrease in gas pressure in the duct. so as to have a maximum speed of the particles at the outlet of the conduit.
  • the convergent was not chosen at a constant but variable angle of convergence so that the pressure drop P1 of the gas was practically monotonic from the entry of the gas into the convergent until its exit from the divergent, any pressure jump resulting in turbulence in the flow.
  • the angle made by the profile A10 with the axis of the conduit starts from a maximum negative value, decreases continuously, goes through zero and then increases continuously.
  • the duct shown in fig. a has a diameter which widens from 4.7 cm (meter 0) to 8.7 cm at the mouth (meter 15.5).
  • the speed of the particles V2 increases almost linearly and is 195 m / s at the mouth.
  • the applicant adjusts the speed of the particles by means of a specific profile of the duct, the length of the latter being of secondary importance.
  • Acceptable particle velocities have for example been observed by reducing the duct having a variable section up to a length of 5 m. Below this value the results are no longer convincing.
  • the nozzle to be dimensioned is subdivided into n finite elements of length varying from 1 to 10 cm.

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Abstract

A method and apparatus for accelerating solid particles entrained in a carrier gas so as to maximize the velocity of the particles at the output end of a duct is presented. This maximized or optimal acceleration is achieved by varying the cross section of the duct over at least the last 5 meters upstream from the opening thereof. Preferrably, the cross section of the duct should continuously increase i.e. diverge, towards the opening. This diverging cross section is preferrably in accordance with a nonlinear function of the length.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'accélération de particules solides par l'intermédiaire d'un gaz. De tels dispositifs peuvent en particulier être employés pour recarburer des bains d'acier en voie d'affinage.The present invention relates to a device for accelerating solid particles via a gas. Such devices can in particular be used to recarburize steel baths in the process of refining.

Le taux de mitrailles ou autres ajoutes refroi- dissantes qu'on arrive à incorporer à un métal en voie d'affinage dans le cadre des procédés LD, LBE et autres, dépend principalement de la composition de la fonte, de la température de la charge et du déroulement thermodynamique de l'opération d'affinage. La consommation de mitrailles par tonne de fonte liquide se situe couramment vers 300 kg lors de la conversion de fonte pauvre et vers 400 kg pour une fonte phosphoreuse. Pour réduire le prix de revient de l'acier, il faut dépasser ces taux d'ajoutes. Une des méthodes connues consiste à augmenter le taux de post-combustion du CO se dégageant du bain, tout en veillant à ce que le bain absorbe un maximum de la chaleur libérée. Une autre méthode consiste à chauffer le bain métallique en utilisant des sources d'énergie supplémentaire. Des techniques d'addition de gaz et de combustible liquide sont mises en oeuvre avec des succès variés. Pareillement des techniques d'addition de matière combustible sous forme de granules de matière carbonée ont été développées. L'incorporation de matières solides dans le bain peut se faire par le bas, à travers des tuyères ou des éléments perméables logés dans le fond du convertisseur, ou par le haut conjointement avec des matières gazeuses. Ces additions se font, parfois avant le soufflage, parfois après une première phase de soufflage d'oxygène.The rate of scrap metal or other coolant additions which one succeeds in incorporating into a metal in the process of refining within the framework of the LD, LBE and other processes, depends mainly on the composition of the cast iron, on the temperature of the charge. and the thermodynamic course of the refining operation. The consumption of scrap metal per ton of liquid pig iron is commonly around 300 kg when converting lean pig iron and around 400 kg for phosphorous pig iron. To reduce the cost price of steel, these addition rates must be exceeded. One of the known methods consists in increasing the post-combustion rate of the CO emerging from the bath, while ensuring that the bath absorbs a maximum of the released heat. Another method is to heat the metal bath using additional energy sources. Techniques for adding gas and liquid fuel have been used with various successes. Likewise, techniques for adding combustible material in the form of granules of carbonaceous material have been developed. The incorporation of solids in the bath can be done from below, through nozzles or permeable elements housed in the bottom of the converter, or from the top together with gaseous materials. These additions are made, sometimes before blowing, sometimes after a first phase of oxygen blowing.

La demanderesse a décrit dans sa demande de brevet LU 84444 un système d'alimentation en matières solides d'une lance de soufflage servant à approvisionner un bain métallique en combustible. L'installation utilisée comporte au moins une source de gaz comprimé, un circuit fournisseur de matière carbonée en suspension dans un gaz, au moins un circuit fournisseur de gaz de balayage, des moyens de dosage des différents débits de gaz et de matière carbonée et des moyens pour brancher séparément ou conjointement lesdits circuits sur un conduit aboutissant à la lance. On sait que pour avoir une bonne absorption de la matière carbonée par le bain, il faut que celui-ci présente non seulement des concentrations en oxygène et en carbone bien déterminées, mais qu'il faut en plus que la matière carbonée ait une énergie cinétique suffisante à la sortie de la lance pour pénétrer dans le bain. Cette énergie cinétique élevée, qui est également requise pour éviter une combustion prématurée de la matière carbonée au-dessus du bain, est obtenue à l'aide d'un flux puissant de gaz.The applicant has described in its patent application LU 84444 a system for supplying solids with a blowing lance used to supply a metal bath with fuel. The installation used comprises at least one source of compressed gas, a circuit for supplying carbonaceous material suspended in a gas, at least one circuit for supplying sweeping gas, means for metering the different flow rates of gas and carbonaceous material and means for separately or jointly connecting said circuits to a conduit leading to the lance. We know that to have a good absorption of the carbonaceous matter by the bath, it is necessary that the latter not only present well-defined oxygen and carbon concentrations, but that it is also necessary that the carbonaceous matter has a kinetic energy. sufficient at the outlet of the lance to enter the bath. This high kinetic energy, which is also required to avoid premature combustion of the carbonaceous material above the bath, is obtained using a strong flow of gas.

Pour augmenter l'énergie cinétique impartie aux particules solides, il est connu de munir l'embouchure de la lance de soufflage d'un convergent-divergent de faible longueur (voir par exemple le brevet GB-A-911 545; Fig. 1). Malheureusement cet artifice n'entraîne qu'une faible augmentation de la vitesse des particules et le jet à la sortie de la lance devient fortement divergent. De plus, on a observé que les convergents courts s'usent rapidement et créent des pulsations qui provoquent un éclatement et un ralentissement du jet en aval de l'embouchure.To increase the kinetic energy imparted to solid particles, it is known to provide the mouth of the blowing lance with a convergent-divergent device of short length (see for example patent GB-A-911,545; Fig. 1) . Unfortunately this device only causes a small increase in the speed of the particles and the jet at the exit of the lance becomes strongly divergent. In addition, it has been observed that the short convergers wear quickly and create pulsations which cause bursting and slowing down of the jet downstream of the mouth.

Il est également connu (voir par exemple le brevet BG-A-911 545; Fig. 2) d'employer de longs (plusieurs mètres) divergents, ayant un angle de divergence constant. Les résultats sont plus probants que pour le convergent-divergent de faible longueur. Un tel divergent ne permet cependant pas d'ajuster la décroissance de la pression du gaz de manière à obtenir une accélération contrôlée du gaz et par suite des particules. Des essais ont montré, qu'à l'instar de la lance à section constante, on obtient également dans ce cas une accélération exponentielle du gaz vers l'embouchure. Une telle accélération du gaz ne peut cependant pas être transmise sur faible distance aux particules solides. Une augmentation de la longueur de la lance entraîne une variation de la pression du gaz au début du divergent plus faible, de sorte qu'il faut des longueurs de lance prohibitives (voir également le point 2 plus loin) pour obtenir une vitesse des particules qui se rapproche de celle du gaz porteur. Dans ce cas on ne peut néanmoins pas éviter une accélération prononcée du gaz vers l'embouchure de la lance, accélération qui ne peut être impartie aux particules solides. De plus, pour limiter la section de la lance à l'embouchure et la longueur totale du dispositif on est amené à prévoir un convergent court en amont du divergent. Or, comme exposé plus haut, un tel convergent crée des turbulences qui ont un effet néfaste sur la dynamique du jet. En outre, étant donné la faible vitesse des particules à cet endroit, il y a risque de bouchage.It is also known (see for example patent BG-A-911,545; Fig. 2) to use long (several meters) divergent, having a constant angle of divergence. The results are more convincing than for the convergent-divergent of short length. However, such a divergence does not make it possible to adjust the decrease in the pressure of the gas so as to obtain a controlled acceleration of the gas and consequently of the particles. Tests have shown that, like the lance with constant section, in this case an exponential acceleration of the gas towards the mouth is also obtained. Such an acceleration of the gas cannot however be transmitted over a short distance to the solid particles. An increase in the length of the lance results in a smaller variation in the pressure of the gas at the start of the divergent, so that prohibitive lengths of lance (see also point 2 below) are required to obtain a speed of the particles which approximates that of the carrier gas. In this case, however, it is not possible to avoid a pronounced acceleration of the gas towards the mouth of the lance, an acceleration which cannot be imparted to the solid particles. In addition, to limit the section of the lance at the mouth and the total length of the device, it is necessary to provide a short convergent upstream of the divergent. However, as explained above, such a convergent creates turbulence which has a harmful effect on the dynamics of the jet. In addition, given the low speed of the particles at this location, there is a risk of clogging.

D'après le document FR-A-2240293 il est connu de réaliser des tuyères comportant un convergent, une gorge et un divergent de manière que la zone divergente présente une forme concave, qui se raccorde à la gorge présentant un profil substantiellement convexe.According to document FR-A-2240293 it is known to produce nozzles comprising a converging, a groove and a diverging so that the diverging zone has a concave shape, which is connected to the groove having a substantially convex profile.

Lors de la construction et de l'implantation d'un dispositif servant à introduire de la matière carbonée dans un bain métallique, il faut en général tenir compte d'équipements existants, tel que la source de gaz profitée par d'autres installations. La longueur des conduits est tributaire de l'emplacement du doseur alvéolaire et du chariot porte-lance. De plus, les têtes de lance tout comme les chariots porte-lance ne permettent pas de dépasser certains diamètres des conduits pour des raisons de dimensionnement resp. de poids.When constructing and installing a device for introducing carbonaceous material into a metal bath, account must generally be taken of existing equipment, such as the gas source used by other installations. The length of the ducts depends on the location of the cellular metering device and the lance-carrying carriage. In addition, the lance heads just like the lance-carrying carriages do not allow certain diameters of the conduits to be exceeded for reasons of sizing resp. weight.

En ce qui concerne la granulométrie du charbon, notons que des grains trop fins ont tendance à coller ensemble. Des expériences ont montré que leur énergie cinétique à la sortie de la lance est faible. D'un autre côté les grains trop gros ont une grande inertie, et le gaz n'arrive pas non plus à les accélérer sur distance réduite à la vitesse désirée. La dimension tout comme la structure des grains est également d'une importance capitale en ce qui concerne les problèmes d'abrasion des conduits. La qualité de la matière carbonée et l'influence des impuretés sur la combustion sur le bain (humidité, matières volatiles) ainsi que leur influence sur la charge métallique (soufre) sont des facteurs tout aussi importants.Regarding the grain size of the coal, note that grains that are too fine tend to stick together. Experiments have shown that their kinetic energy at the exit of the lance is low. On the other hand, the too large grains have a great inertia, and the gas does not manage either to accelerate them over a reduced distance at the desired speed. The size as well as the grain structure is also of capital importance. tale with regard to abrasion problems of the conduits. Equally important are the quality of the carbonaceous material and the influence of impurities on combustion on the bath (humidity, volatile matter) as well as their influence on the metal charge.

L'invention a comme but de proposer un dispositif d'accélération qui résout les problèmes exposés plus haut et qui est d'un côté capable de fournir à sa sortie un jet de matière granulée concentré, ayant une vitesse aussi élevée que possible et qui d'un autre côté est susceptible de s'intégrer facilement dans des installations existantes.The object of the invention is to propose an acceleration device which solves the problems set out above and which is, on the one hand, capable of supplying at its outlet a jet of concentrated granular material, having as high a speed as possible and which d another side is capable of being easily integrated into existing installations.

Ce but est atteint par le dispositif selon l'invention tel qu'il est caractérisé dans la revendication 1. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendications dépendantes.This object is achieved by the device according to the invention as characterized in claim 1. Preferential variant embodiments are described in the dependent claims.

L'idée à la base de l'invention découle d'essais effectués sur des lances de dimensions variées, alimentées par des pressions de gaz et des mélanges gaz/particules solides variés et tendant à ajuster la décroissance de la pression du gaz dans le conduit de sorte à avoir une vitesse maximale des particules à la sortie du conduit. Pour utiliser toute l'énergie potentielle du gaz (et pour éviter en même temps un éclatement du jet de particules solides) il faut que la pression statique du mélange gaz/particules se rapproche, à l'embouchure de la lance, de la pression atmosphérique (105Pa). Si la pression en bout de la lance devient inférieure à 105Pa, le conduit se bouche; si elle devient nettement supérieure, le jet de particules se disperse en sortant de la lance et l'effet d'impact diminue. D'un autre côté, les forces provoquant l'accélération des particules solides dépendent de la vitesse relative entre le gaz porteur et les particules; les particules solides peuvent atteindre au plus une vitesse égale à celle du gaz. On devrait donc à priori choisir une vitesse du gaz aussi élevée que possible. Or, des calculs ont montré que la création locale de vitesses supersoniques à l'embouchure de la lance exigerait des débits de gaz trop élevés surchargeant les réseaux gazeux dont on dispose en pratique.The idea underlying the invention stems from tests carried out on lances of various dimensions, fed by gas pressures and various gas / solid particle mixtures and tending to adjust the decrease in gas pressure in the duct. so as to have a maximum speed of the particles at the outlet of the conduit. To use all the potential energy of the gas (and to avoid at the same time a burst of the jet of solid particles) it is necessary that the static pressure of the gas / particles mixture approaches, at the mouth of the lance, atmospheric pressure (10 5 Pa). If the pressure at the end of the lance becomes less than 10 5 Pa, the duct becomes blocked; if it becomes clearly superior, the jet of particles disperses out of the lance and the impact effect decreases. On the other hand, the forces causing the acceleration of solid particles depend on the relative speed between the carrier gas and the particles; the solid particles can reach at most a speed equal to that of the gas. One should therefore a priori choose a gas speed as high as possible. However, calculations have shown that the local creation of supersonic speeds at the mouth of the lance would require excessively high gas flow rates overloading the gas networks that are available in practice.

En vue de communiquer avec un rendement acceptable une vitesse maximale aux particules solides à la sortie de la tubulure, il faudra par conséquent essayer d'atteindre une vitesse sonique du gaz près de l'embouchure de la tuyère. De même, pour avoir un jet de matières carbonées aussi fin que possible à la sortie de la lance, il faut que la pression statique du jet à la sortie de la lance soit proche de la pression atmosphérique. Ces deux critères ont été respectés dans les trois séries d'essais exposés par la suite, dont la première portait sur des conduits à section constante, la deuxième sur des conduits dont la section augmentait continûment et la troisième sur des conduits selon l'invention.In order to communicate a maximum speed for solid particles at the outlet of the tube with an acceptable yield, it will therefore be necessary to try to reach a sonic speed of the gas near the mouth of the nozzle. Similarly, to have a jet of carbonaceous materials as fine as possible at the outlet of the lance, the static pressure of the jet at the outlet of the lance must be close to atmospheric pressure. These two criteria were met in the three series of tests described below, the first of which related to conduits with constant section, the second on conduits whose section increased continuously and the third on conduits according to the invention.

1) Les essais ont confirmé des calculs théoriques basés sur une détente isothermique du gaz, qui montraient que pour une pression et un débit nominal de source de gaz d'un diamètre de conduit donnés, il faut choisir un conduit d'autant plus court que l'on désire un débit nominal de charbon plus élevé et que plus le conduit est court plus la différence entre les vitesses du gaz et des particules à l'embouchure de la lance est importante. En plus il est apparu que pour respecter les critères exposés plus haut, il faut prévoir des longueurs de conduit prohibitives comme illustré par l'exemple suivant:1) The tests confirmed theoretical calculations based on an isothermal expansion of the gas, which showed that for a pressure and a nominal flow rate of gas source of a given diameter of pipe, it is necessary to choose a pipe all the shorter a higher nominal coal flow rate is desired and the shorter the conduit, the greater the difference between the gas and particle velocities at the mouth of the lance. In addition, it appeared that in order to meet the criteria set out above, prohibitive lengths of conduit must be provided as illustrated by the following example:

On dispose d'une source capable de fournir 2300 Nm3/h de gaz sous une pression 1,6x106Pa. Pour avoir un débit de gaz de 2300 Nm3/h lorsque le gaz sort du conduit à une vitesse proche de celle du son, il faut prévoir un diamètre du conduit d'environ 50 mm. La densité du charbon est de 867 kg/m3, la granulométrie moyenne est de 5mm.

  • - Un débit de charbon optimal de 400 kg/min conduit dans ces conditions à une vitesse de particules de charbon de quelqued 120 m/s et exige une longueur de conduit de 60 m.
  • - Un débit de charbon optimal de 300 kg/min conduit à une vitesse des particules de charbon de quelque 140 m/s pour une longueur de conduit de 90 m.
There is a source capable of supplying 2300 Nm 3 / h of gas under a pressure of 1.6 × 10 6 Pa. To have a gas flow of 2300 Nm 3 / h when the gas leaves the pipe at a speed close to that of sound, it is necessary to provide a pipe diameter of about 50 mm. The density of the coal is 867 kg / m3, the average particle size is 5mm.
  • - An optimal coal flow of 400 kg / min leads under these conditions to a speed of coal particles of some 120 m / s and requires a length of conduit of 60 m.
  • - An optimal coal flow rate of 300 kg / min leads to a speed of coal particles of around 140 m / s for a length of pipe of 90 m.

On constate qu'il y a un écart substantiel entre les vitesses du gaz (quelque 320 m/s) et des particules à l'embouchure de la lance et que les longueurs de conduit à prévoir deviennent importantes lorsqu'on désire des vitesses de particules élevées.It can be seen that there is a substantial difference between the velocities of the gas (some 320 m / s) and of particles at the mouth of the lance and that the lengths of duct to be provided become significant when particle velocities are desired. high.

2) Dans une deuxième phase de ses travaux, la demanderesse a essayé de diminuer l'écart entre les vitesses du gaz et des particules à l'embouchure de la lance sans utiliser de conduits de longueur excessive. Des mesures et une étude des vitesses et des pressions sur une dizaine de mètres du conduit en amont de l'embouchure montrent que dans cette partie du conduit la pression du gaz chute d'environ du tiers de sa valeur nominale jusqu'à la pression atmosphérique, que la vitesse du gaz augmente de façon quasi-exponentielle alors que la vitesse des particules ne fait que doubler. En se plaçant dans les conditions de l'exemple précédent on peut en effet observer

  • - pour une longueur totale du conduit de 60 m (débit de charbon 400 kg/min) les vitesses du gaz et des particules valent respectivement 85 m/s et 70 m/s après une distance de parcours de quelques 50 m
  • - pour une longueur totale de conduit de 90 m (débit de charbon 300 kg/min) les vitesses du gaz et des particules valent respectivement 80 m/s et 65 m/s après une distance de 80 m.
2) In a second phase of its work, the plaintiff tried to reduce the difference between the gas and particle velocities at the mouth of the lance without using excessively long conduits. Measurements and a study of the speeds and pressures over ten meters from the pipe upstream of the mouth show that in this part of the pipe the gas pressure drops by about a third of its nominal value to atmospheric pressure , that the speed of the gas increases almost exponentially while the speed of the particles only doubles. By placing ourselves in the conditions of the previous example we can indeed observe
  • - for a total length of the pipe of 60 m (coal flow 400 kg / min) the gas and particle velocities are worth 85 m / s and 70 m / s respectively after a distance of some 50 m
  • - for a total length of pipe of 90 m (coal flow rate 300 kg / min) the gas and particle velocities are respectively 80 m / s and 65 m / s after a distance of 80 m.

Pour obtenir une augmentation moins brusque de la vitesse du gaz sur les derniers mètres du conduit, vitesse qui ne peut être transmise aux particules solides, la demanderesse a fait des essais sur un conduit ayant à l'embouchure une section identique (50 mm de diamètre) à celle employée dans les essais décrits plus haut, mais présentant un évasement continu depuis un étranglement (convergent réduisant le diamètre à 2,8 cm) qui se trouvait une dizaine de mètres en amont de l'embouchure. La perte de charge provoquée par l'étranglement était compensée par une augmentation de la pression de source à 2,5x 106Pa. Relativement à un conduit de section uniforme alimenté sous une pression de 2,5x106Pa, l'augmentation de la vitesse des particules était de 60% (débit de charbon 300 kg/min et longueur des conduits 50 m dans les deux cas). Dans le but d'éviter un étranglement, qui était le siège d'une très forte usure et imposait une diminution du débit de charbon, la demanderesse a utilisé ensuite un conduit qui s'évasait en continu sur quelque vingt mètres depuis la section normale de conduit (diamètre égal à 5 cm) jusqu'à l'embouchure (diamètre égal à 8cm). Pour conserver une pression proche de la pression atmosphérique près de l'embouchure, le débit de gaz doit être au moins doublé par rapport au débit utilisé pour un conduit ayant un diamètre constant de 5 cm. Dans ce cas on observait une augmentation de la vitesse des particules de 60% relativement à celle observé pour un conduit à section constante. (Pression de source 2x106Pa, débit de charbon 500 kg/min; longueur du conduit 50 m.)To obtain a less sudden increase in the speed of the gas over the last few meters of the pipe, a speed which cannot be transmitted to solid particles, the applicant has made tests on a pipe having an identical section at the mouth (50 mm in diameter ) to that used in the tests described above, but having a continuous flare from a constriction (convergent reducing the diameter 2.8 cm) which was about ten meters upstream of the mouth. The pressure drop caused by the constriction was compensated by an increase in the source pressure to 2.5 × 10 6 Pa. Relative to a uniform cross-section conduit supplied at a pressure of 2.5 × 10 6 Pa, the increase in the particle speed was 60% (coal flow 300 kg / min and length of the conduits 50 m in both cases). In order to avoid a constriction, which was the seat of very heavy wear and imposed a reduction in the flow of coal, the plaintiff then used a conduit which widened continuously over some twenty meters from the normal section of conduit (diameter equal to 5 cm) to the mouth (diameter equal to 8 cm). To maintain a pressure close to atmospheric pressure near the mouth, the gas flow must be at least double compared to the flow used for a conduit with a constant diameter of 5 cm. In this case, an increase in the particle speed of 60% was observed relative to that observed for a duct with constant section. (Source pressure 2x10 6 Pa, coal flow 500 kg / min; length of the conduit 50 m.)

3) Une fois que l'effet favorable d'une section variable sur la vitesse finale des particules solides était bien établi, des essais employant des conduits ayant diverses variations de section ont été effectués. Sur les fig. 1 et 2 on distingue deux exemples de coupes longitudinales (A10, A11 resp. A20, A21) de conduits à section circulaire dont les variations de diamètre ne sont plus pro- portionelles à la longueur, ainsi que les variations de la vitesse du gaz (U1 resp. U2), des particules (V1 resp. V2) et de la pression (P1 resp. P2) en fonction de la dimension longitudinale du conduit près de l'embouchure. On part dans le cas de la fig. 1 avec un conduit possédant jusqu'au mètre 3,5 un diamètre de 5 cm. Dans le but d'aboutir également à un diamètre du conduit de 5 cm à l'embouchure (mètre 20) il faut d'abord diminuer le diamètre avant de l'augmenter. Pour éviter la création de pulsations, le convergent n'a pas été choisi à angle de convergence constante mais variable de manière à ce que la chute de pression P1 du gaz soit pratiquement monotone depuis l'entrée du gaz dans le convergent jusqu'à sa sortie du divergent, tout saut de pression se traduisant par des turbulences dans l'écoulement. Comme on peut le voir sur la figure, l'angle que fait le profil A10 avec l'axe du conduit part d'une valeur négative maximale, diminue continûment, passe par zéro pour augmenter ensuite continûment. On constate que la longueur du conduit en amont du convergent ne contribue que de façon mineure à l'accélération des particules, qui acquièrent pratiquement toute leur vitesse V1 sur les vingt derniers mètres avant l'embouchure. On peut voir également que l'augmentation de la vitesse du gaz n'est plus quasi-exponentielle et que la vitesse des particules tend vers un palier valant quelque 190 m/s.3) Once the favorable effect of a variable cross-section on the final velocity of the solid particles has been well established, tests using conduits having various cross-sectional variations were carried out. In fig. 1 and 2 a distinction is made between two examples of longitudinal sections (A10, A11 resp. A20, A21) of circular section ducts whose variations in diameter are no longer proportional to the length, as well as the variations in the speed of the gas ( U1 resp. U2), particles (V1 resp. V2) and pressure (P1 resp. P2) as a function of the longitudinal dimension of the duct near the mouth. We start in the case of fig. 1 with a conduit having up to 3.5 meters a diameter of 5 cm. In order to also achieve a diameter of the conduit of 5 cm at the mouth (meter 20) it is first necessary to decrease the diameter before increasing it. To avoid the creation of pulsations, the convergent was not chosen at a constant but variable angle of convergence so that the pressure drop P1 of the gas was practically monotonic from the entry of the gas into the convergent until its exit from the divergent, any pressure jump resulting in turbulence in the flow. As can be seen in the figure, the angle made by the profile A10 with the axis of the conduit starts from a maximum negative value, decreases continuously, goes through zero and then increases continuously. It can be seen that the length of the conduit upstream of the convergent contributes only slightly to the acceleration of the particles, which acquire practically all their speed V1 over the last twenty meters before the mouth. We can also see that the increase in the speed of the gas is no longer quasi-exponential and that the speed of the particles tends towards a plateau worth some 190 m / s.

Le conduit représenté en fig. a a un diamètre qui s'évase depuis 4,7 cm (mètre 0) jusqu'à 8,7 cm à l'embouchure (mètre 15,5). La vitesse des particules V2 augmente presque linéaire- ment et vaut 195 m/s à l'embouchure.The duct shown in fig. a has a diameter which widens from 4.7 cm (meter 0) to 8.7 cm at the mouth (meter 15.5). The speed of the particles V2 increases almost linearly and is 195 m / s at the mouth.

On constate que lorsque le dispositif d'accélération comporte un tel conduit de section variable, il est possible d'accélérer les particules solides à des vitesses se rapprochant de celles du gaz porteur. L'utilisation judicieuse de convergents ayant un profil en harmonie avec celui du divergent permet de limiter les dimensions du conduit à l'embouchure, l'usure par abrasion dans le col du convergent et l'intégration facile du conduit dans des têtes de lance de conception connue. Pour dimensionner un conduit on doit tenir compte des points suivants:

  • - la pression de source, le diamètre des conduits d'amenée et le diamètre à l'embouchure sont imposés. Si le diamètre du conduit et celui à l'embouchure doivent être identiques, il faudra une partie convergente qui sera d'autant plus prononcée que la pression de source est élevée et/ où que la distance disponible pour le conduit à section variable est réduite.
  • - la pression du gaz à l'entrée du conduit à section variable est donnée (légèrement inférieure à la pression source) tout comme celle à l'embouchure (légèrement supérieure à 105Pa). La différence de pression doit être traduite (dans la mesure du possible) en accélération constante du gaz en profitant au maximum de la longueur disponible.
  • - l'angle que fait une tangente au profil (se trouvant dans un plan passant par l'axe du conduit) avec l'axe du conduit varie presque continûment. Lorsque les particules doivent être accélérées sur distance courte, la variation de l'angle est plus prononcée.
It is noted that when the acceleration device comprises such a duct of variable section, it is possible to accelerate the solid particles at speeds approaching those of the carrier gas. The judicious use of convergers with a profile in harmony with that of the divergent makes it possible to limit the dimensions of the conduit at the mouth, wear by abrasion in the neck of the convergent and the easy integration of the conduit into the lance heads of known design. To size a duct, the following points must be taken into account:
  • - the source pressure, the diameter of the supply conduits and the diameter at the mouth are imposed. If the diameter of the conduit and that at the mouth must be identical, a converging part will be required which will be all the more pronounced when the source pressure is high and / or when the distance available for the conduit with variable section is reduced.
  • - the gas pressure at the inlet of the variable section conduit is given (slightly lower than the source pressure) as is that at the mouth (slightly greater than 10 5 Pa). The pressure difference must be translated (as far as possible) into constant gas acceleration making the most of the available length.
  • - the angle made by a tangent to the profile (lying in a plane passing through the axis of the conduit) with the axis of the conduit varies almost continuously. When the particles have to be accelerated over a short distance, the variation of the angle is more pronounced.

En respectant ces critères de base, on peut optimiser le profil du conduit sur maquette en mesurant la pression et les différentes vitesses en plusieurs endroits le long du conduit.By respecting these basic criteria, it is possible to optimize the profile of the pipe on the model by measuring the pressure and the different speeds in several places along the pipe.

Au lieu d'ajuster la vitesse des particules en jouant sur la longueur du conduit ou du divergent, la demanderesse ajuste la vitese des particules par l'intermédiaire d'un profil spécifique du conduit, la longueur de celui-ci étant d'importance secondaire. Des vitesses de particules acceptables ont par exemple été observées en réduisant le conduit présentant une section variable jusqu'à une longueur de 5 m. En dessous de cette valeur les résultats ne sont plus probants.Instead of adjusting the speed of the particles by varying the length of the duct or the diverging part, the applicant adjusts the speed of the particles by means of a specific profile of the duct, the length of the latter being of secondary importance. . Acceptable particle velocities have for example been observed by reducing the duct having a variable section up to a length of 5 m. Below this value the results are no longer convincing.

La demanderesse a également essayé de simuler le comportement du gaz et des particules dans des conduits à section variable sur ordinateur en tenant compte d'équations de thermodynamique et de mécanique des fluides:The Applicant has also tried to simulate the behavior of gas and particles in variable section conduits on a computer by taking into account thermodynamic and fluid mechanics equations:

La tuyère à dimensionner est subdivisée en n éléments finis de longueur variant de 1 à 10 cm.The nozzle to be dimensioned is subdivided into n finite elements of length varying from 1 to 10 cm.

Pour is[1 à n], les équations se rattachant à l'élément fini s'écrivent:

Figure imgb0001
Figure imgb0002
Figure imgb0003
Figure imgb0004
Figure imgb0005
Figure imgb0006
Figure imgb0007
Figure imgb0008

  • p; = pression du gaz (105 Pa)
  • ui = vitesse du gaz (m/s)
  • Vi = vitesse des particules (m/s)
  • di = diamètre de la tuyère (m)
  • Ax = longueur de l'élément fini (m)
  • po = pression du milieu (105 Pa)
  • τo = densité du gaz à l'embouchure de la tuyère (kg/m3)
  • λ = coefficient de frottement gaz-paroi
  • (λ = 1,25.10-7)
  • k = coefficient de frottement particules-paroi
  • (k = 1,2; déterminé par approches successives)
  • Qe = débit pondéral des matières solides (kg/min)
  • QN = débit de gaz (Nm3/h)
  • τc = densité des matières solides (kg/m3)
  • v = 1,2 (déterminé par approches successives)
  • dc = granulométrie (m)
  • uf = vitesse finale du gaz (m/s)
  • uo = vitesse initiale du gaz (m/s)
  • L = longueur de la tuyère
  • a = exposant d'accélération
  • ξ = coefficient de perte de charge (≈ 0,25)
For is [1 to n], the equations related to the finite element are written:
Figure imgb0001
Figure imgb0002
Figure imgb0003
Figure imgb0004
Figure imgb0005
Figure imgb0006
Figure imgb0007
Figure imgb0008
  • p ; = gas pressure (10 5 Pa)
  • u i = gas speed (m / s)
  • V i = particle velocity (m / s)
  • d i = nozzle diameter (m)
  • Ax = length of the finite element (m)
  • p o = medium pressure (105 Pa)
  • τ o = gas density at the mouth of the nozzle (kg / m3 )
  • λ = gas-wall friction coefficient
  • (λ = 1.25.10 -7 )
  • k = particle-wall friction coefficient
  • (k = 1.2; determined by successive approaches)
  • Q e = weight flow of solids (kg / min)
  • Q N = gas flow (Nm 3 / h)
  • τ c = density of solids (kg / m 3 )
  • v = 1.2 (determined by successive approaches)
  • d c = particle size (m)
  • u f = final gas velocity (m / s)
  • u o = initial gas velocity (m / s)
  • L = length of the nozzle
  • a = acceleration exponent
  • ξ = pressure drop coefficient (≈ 0.25)

Il est évident que plus on fait intervenir de paramètres dans les calculs (p.ex. section efficace moyenne des grains, coefficient de frottement du gaz sur la paroi etc.) plus on se rapproche du profil idéal recherché. Mais il faut bien tenir à l'esprit qu'on est en présence de variations de diamètre valant des mm et qu'il est impossible d'usiner des conduits avec une précision mathématique.It is obvious that the more parameters are taken into account in the calculations (eg average cross section of the grains, coefficient of friction of the gas on the wall, etc.) the closer we get to the ideal profile sought. But it must be borne in mind that we are in the presence of variations in diameter equal to mm and that it is impossible to machine conduits with mathematical precision.

Au lieu d'intégrer le dispositif d'accélération dans la lance qui fournit l'oxygène, on peut également introduire les particules solides dans le bain en fusion en utilisant des lances autonomes, possédant leur propre circuit de refroidissement et leur propre chariot de support. De même, on peut envisager de ne pas choisir un conduit ayant une section circulaire, mais ovale, où toute autre section s'intégrant facilement dans l'équipement.Instead of integrating the acceleration device into the lance which supplies oxygen, it is also possible to introduce the solid particles into the molten bath using autonomous lances, having their own cooling circuit and their own support carriage. Likewise, one can consider not choosing a duct having a circular, but oval, section, where any other section can be easily integrated into the equipment.

Les mêmes raisonnements exposés plus haut s'appliquent lorsqu'on n'introduit pas les particules dans un milieu où règne la pression atmosphérique. Il suffit simplement de choisir une pression à l'embouchure égale ou légèrement supérieure à celle du milieu environnant.The same reasoning set out above applies when the particles are not introduced into an environment where atmospheric pressure prevails. You just have to choose a pressure at the mouth equal to or slightly higher than that of the surrounding environment.

Claims (5)

1. An apparatus for accelerating solid particles in suspension in a carrier gas travelling at a subsonic speed, comprising a source of gas under pressure, means for metering the gas and solid particles and conduits for the supply of the mixture of gas and solid particles opening into a lance having a substantially circular cross-section, said supply conduits or the lance having portions over which the cross-section varies, an apparatus in which the angle between the axis of the lance and a tangent to the internal profile of the lance and located in a plane passing through the axis of the lance increases from a nominal value towards a higher value over a length of at least 5 m along the conduit or the lance in the direction of the opening so as to have, as far as possible, almost constant acceleration of the gas.
2. An apparatus according to claim 1, characterized in that the angle increases continuously over at least 5 m.
3. An apparatus according to claim 1, characterized in that the angle is firstly negative, increases continuously, passes through zero and increases continuously in the direction of the opening.
4. An apparatus according to one of claims 1 to 3, characterized in that the angle increases to the opening.
5. An apparatus according to one of claims 1 to 4, characterized in that pieces of lance of which the profile has said variation of angle alternate with pieces of lance having a constant cross-section.
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