LU86322A1 - Lance de soufflage d'oxygene - Google Patents

Description

v - A 801 i-

Demande de brevet de ...................................................

Désignation de l’Inventeur

(1) Le soussigné LEITZ Paul, ingénieur, Administration Centrale de l'ARBEI

Case Postale 1802, L - 2930 LUXEMBOURG

agissant en qualité dèXfitéfSôXâôt — de mandataire du déposant — (2) ARBED S.A............................................................................................................................................

Avenue de la Liberté

L - 2930 LUXEMBOURG

(3) de l’invention concernant : ..........................................................................

désigné comme inventeur(s) : 1. Nom et prénoms BOCK...André.......................................................................................................................................

Adresse 37 rue Franz Liszt» L - 1944 LUXEMBOURG........................................

2. Nom et prénoms yENRION...R.gm.ain.........................................................................................................................

Adresse 127 rue Jean-Pierre Michels, L - 4243 JSCH/AL

3. Nom et prénoms LIESCH...Jean...................................................................................................................................

. . 1 rue Gaston Barbanson, L - 4020 ESCH/ALZETTE

Il affirme la sincérité des indications susmentionnées et déclare en assumer l’entière responsabilité.

4. HEINTZ Carlo, 2 Square Aloyse Meyer, L - 2154 LUXEMBOURG

5. KLEIN Henri, 141 Avenue de la Liberté, L - 4602 NIEDERCORN

6. LIESCH Jean-François, 1Û9A rue Clair-Chêne, L - 4062 ESCH/ALZETTE

|fi 19__________ ’TüxëmÎoürg................................’ 25'Tëvrie’r 8 δ : L e man da t ^^ e LE IT Z P au 1 (signature) A 680 26 (1) Nom. prénoms, firme, adresse.

Nlnnv nrénAtrua a* amassa Hti riAnnsant.

r A 801

Demande de brevet Déposant: ARBED S.A.

Avenue de la Liberté L - 2930 Luxembourg

Lance de soufflage d'oxygène - 1 -

Lance de soufflage d'oxygène.

L'invention concerne une lance pour l'affinage de métaux ou de fer-roalliages par soufflage d'oxygène par le haut.

5

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 mon- 10 oxyde de carbone, nécessite certains calculs qui doivent en particu lier tenir compte des deux grandeurs suivantes: le nombre de Mach et le débit optimum.

Le nombre de Mach est une grandeur qui exprime l'impulsion, la vi- 15 tesse resp. le degré de dureté du jet. La tuyère d'une lance compor te 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 20 du convergent. 1 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 procé-25 der 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 â la configuration géométrique de la - 2 - ‘ 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 5 progresse rapidement.

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 10 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; cette 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 15 vigoureuse du métal.

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 20 qu'un minimum de pièces mobiles.

Un critère essentiel â 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 con-25 figuration 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.

Ce but est atteint par la lance suivant l'invention telle qu'elle 30 est caractérisée dans la revendication principale. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les sous-revendica-tions.

Un avantage capital de l'invention réside dans la possibilité offer-35 te à l'aciêriste 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.

- 3 - L'invention sera illustrée par la description des dessins, où - la fig«l 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, 5 permettant d'aboutir à la variabilité individuelle du nombre de

Mach et du débit optimal.

- la fig.3 montre un exemple de caractéristique vitesse-débit d'un jet d'oxygène réalisable par la lance selon l'invention.

10 On distingue en fig.l 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 15 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 net-20 tement 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-â-pas linéaire (non représenté). On 25 distingue également la zone 7, oû les turbulences générées entre le jet central supersonique en expansion 26, sortant du tube 20 et le jet annulaire subsonique 6, enveloppant le jet central, créent des conditions équivalant à une réduction effective de la section à la sortie du tube 3.

30

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 â travers ce tube l'oxygène d'affinage, dont la pression initiale est contrôlée 35 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 enveloppe extérieur 3. En pénétrant dans le tube - 4 - extérieur 3, le jet 26 est expansé.

Le tube extérieur fournit un jet 6 annulaire d'oxygène ou éventuellement d'air, dont le débit est contrôlé à l'aide de la vanne de rë-5 gulation 4. Ce jet annulaire se déplace le long des parois intérieures du tube extérieur 3 et enveloppe le jet expansé 26. En changeant la quantité de gaz traversant la vanne 4, on varie la section ! effective disponible au jet de gaz d'affinage 26 vers l'embouchure 5 et on influe par conséquent sur sa dynamique d'expansion c. à d. on 10 détermine la vitesse supersonique finale du jet.

Lorsque l'aciêriste désire par exemple un jet d'affinage mou à débit élevé, l'aiguille 23 est rétractée pour avoir une section 25 effective du col élevée et la vanne 4 est ouverte pour contrecarrer l'ex-15 pansion du gaz d'affinage. Par contre, lorsqu'il faut un jet dur à débit réduit, l'aiguille 23 est avancée pour diminuer la section du col, et la vanne 4 est réglée de sorte à permettre l'expansion désiré du gaz. Quelque soient les débits des deux jets, il y a lieu d'assurer que la pression totale du jet sortant de la tuyère 1 soit 20 proche de la pression qui règne à l'intérieur du récipient métallurgique c. à d. en pratique légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Dans le cas contraire on observe des ondes de choc importantes. Il apparaît que le degré d'ouverture de la vanne 4 n'est en réalité pas une variable de laquelle on peut disposer avec toute li-25 berté; il dépend également du degré d'ouverture de la vanne 22 et de la position de l'aiguille 23. Voir à ce sujet plus loin les équations (1) et (2).

Le schéma en fig.2 est destiné à illustrer un procédé de régulation 30 de la marche de la lance de soufflage suivant l'invention. Les élé ments-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'affi- 35 nage en amont du convergent 21 ainsi que le capteur 33 qui mesure la pression du jet à l'embouchure 5 de la tuyère 1.

- 5 - D'après la théorie sur les tuyères de Laval on connaît les relations suivantes :

Po = Pa (1 + k^l . M2am)k/k“1 (1) 5 2

Al = Qn {tT # 1_ (2) K Po avec K = e< r 2 "jk+l/2(k-l) fÇ &> .1 k+1 J V* 10 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 15 convertisseur) - k est égal au rapport de la chaleur massique du gaz a pression constante a. sa chaleur massique a volume constant i.e. Cp/Cv - est le coefficient de vitesse de la tuyère qui exprime les pertes dans la tuyère (cas idéal : ^ = 1) 20 -^^est la densité du gaz dans les conditions normales i.e. 20°C 1 atmosphère (kg/Nm^) - Qn est le débit volumique (Nur/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 (m ) 25 - Mam es le nombre de Mach à l'embouchure.

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 30 fait le nombre de Mach Mam) désirée a 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) a 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 35 entrées la pression Po devant régner à l'entrêer de la tuyère de Laval, le débit nominal Qn désiré, ainsi que la température To è l'entrée de la tuyère de Laval; la section calculée du col est corn- - 6 - parée (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 compare la pression de sortie du jet à la pression Pa régnant dans le i ; 5 convertisseur et agit sur le régulateur 41, de sorte à annulier tou te différence de pression. Les différents régulateurs sont avantageusement du type "régulateur optimal de Kalman".

En fig. 3 on distingue les caractéristiques, d'un point de vue débit ; 10 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 Nm^/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 15 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 20 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 25 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 indu 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 30 normalement besoin au cours de l'affinage et n'utiliser que ceux-ci.

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 35 de Laval peut être utilisée. Pareillement au lieu d'utiliser une aiguille, on peut utiliser n'importe quel autre moyen aboutissant à un changement de section effective.

Claims (7)

1. Lance pour l’affinage de métaux ou de ferro-alliages par soufflage d’oxygène par le haut, dont la tête présente en amont de 5 l'embouchure (5) une tuyère (1) guidant un jet de gaz composé au moins en partie d’oxygène et ayant une vitesse supersonique, caractérisée en ce que 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 sec-10 tion droite supérieure à celle du tube intérieur, en ce qu’il est prévu des moyens pour changer la section de l’embouchure (25) du tube intérieur et en ce que l’embouchure (25) du tube intérieur (20) est située en retrait de l’embouchure (5) de la tuyère (1), les tubes intérieur et extérieur étant munis de vannes (22 resp. 15 4) de régulation de débit à des sources de gaz sous pression.

2. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube extérieur (3) est cylindrique.

3. Lance selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la partie supérieure du tube intérieur (20) est cylindrique et sa partie inférieure convergente (21) est de révolution.

4. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens 25 pour changer la section de l’embouchure (25) du tube intérieur (20) sont constitués par une pièce (23) sensiblement en forme d’aiguille dêplaçable le long de l’axe du tube intérieur (20), la partie aigue de l’aiguille pouvant prendre différentes positions a l’intérieur de la partie convergente (21) du tube intérieur 30 (20).

5. Lance selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’embouchure (25) du tube intérieur (20) est située d’une dizaine de centimètres en retrait de l’embouchure (5) de la tuyère (1). - 2 - *

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

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