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La presente invention concerne un dispositif d'adap-
tation pour tuyère d'accélération de particules solides à
l'aide d'un gaz porteur. De telles tuyères servent en parti-
culier à introduire de la matière carbonifère pulvérulente
dans un bain d'acier.
Le taux de mitrailles ou autres ajoutes refroi-
dissantes qu'on arrive à incorporer à un métal en voie d'af-
finage dépend principalement de la composition de la fonte,
de la température de la charge et du déroulement thermodynami-
que de l'opération d'affinage. Pour réduire le prix derevient de l'acier, il est impératif de dépasser les taux
d'ajoutes actuel.s de quelque 400 kg de mitraille par tonne de
fonte. Une des méthodes connues consiste à augmenter le taux
de postcombustion duCO 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 supplémentaires. Des techniques
d'addition de gaz et de combustible liquide sont mises en oeuvre
avec des succès variés. Pareillement, des techniques d'addi-
tion de matière combustible sous forme de granules de matièrecarbonée 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. Or, pour avoir dans ce dernier cas une absorption
convenable 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 il faut en plus que la
matière carbonée ait une énergie cinétique et une concentra-
tion suffisantes à la sortie de la lance pour pénétrer dansle bain. L t énergie cinétique élevée est également requise
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pour éviter une combustion prématurée de la matière carbonée
au-dessus du bain.
~ ans la demande de brevet canadien No.446 5~3
deposee le ler ~evrier ]~98~, laDemanderes~e a decrit ~ dispositif
d'acceleration de particules solides en suspension dans ~ ga~ c~ortant
une source de ~a~ sous pre5sion, des moyens de dosage du gaz et
des particules solides ainsi que des conduits d'amenée du
mélange gaz/particules solides débouchant sur une lance.
Le dispositif offre la particularité que les conduits d'amenée
ou la lance présentent des parties sur lesquelles la section
varie de ~açon spéci~ique, il ~aut en ef-fe-t éviter que la
vitesse du gaz n'augmente brusquement sur les derniers mètres
du conduit étant donné que cette vitesse ne peut plus étre
transmise aux particules solides. En choisissant des conduits
qui s'évasent sur les derniers mètres devant l'embouchure,
il a été possible d'obtenir des vitesses de'particules de
quelque 190 m/s à llembouchure, la vitesse du gaz étant à
cet endroit lé~èrement inférieure à la vitesse sonique~
Bien que le dispositif mène à des résultats excellents
d'un point de vue vitesse des particules solides, on soup-
çonnait néanmoins que la profondeur de pénétration des par-
ticules solides dans le bain était ~aible. Des calculs'
théoriques montrent que la profondeur de pénétration L d'un
jet de particules dans un bain de liquide vaut, sans la pré-
sence des jets d'oxygène (pour des angles de divergence A
faibles et des concentrations de particules élevées):
Qc ' Vc 3 1/3
L = + Lo - Lo (I)
20 ~ - g pac tg A~2
Qc = débit particules (kg~min)
Lo = hauteur de la lance au-dessus du bain (m)
- 2 -
`~27B6~
Vc = vitesse particules (m~s)
~'ac = densité acier (kg/m3)
A = angle de divergence du jet (degrés)
Des essais à blanc dans l'atmosphère ont montré que
l'angle A est compris entre 4 et 7, d'où l'on peut calculer
à l'aide de l'équation (I) une profondeur de pénétration L
allant de 15 à 50 cm (avec Qc = 300 kg/min, v = 150 m/s, Lo =
1,5 m).
En réalité, on est loin des conditions idéales qui
ont mené à l'équation (I). Il faut en effet tenir compte du
fait que lors de la récarburation:
a) la tuyère verticale de soufflage du mélange de
gaz/matières solides est entourée par plusieurs tuyères de
soufflage d'oxygène primaire qui provoquent une augmentation
de l'angle de divergence A du iet gaz/matières solides.
L'effet d'aspiration des jets d'oxygène entraine en effet une
dépressurisation de la région centrale qu'ils entourent et
dans laquelle se déplace le jet de gaz/matières solides. Ce
jet dont la pression statique à l'embouchure est de 1 bar
su~it par conséquent une expansion brusque causant un dépla-
cement radial des particules et par conséquent une diminution
de leur concentration;
b) le freinage du flux de gaz porteur par le bain
liquide crée en outre un contre-courant qui élargit la zone
d'impact sur le bain. Le gaz porteur n'entre pas dans le
bain d'acier, il est fortement décéléré à la surface du bain,
ce qui se traduit par une diminution de la pression dynamique
et par une augmentation corrélative de la pression statique.
Il s'établit un gradient de pression dans la région comprise
entre les jets d'oxygène et le jet central qui est générateur
de contre-courants absorbés progressivement par les jets.
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Ces contre-courants renforcent l'action de cisaillement entre
le jet central et l'atmosphère qui l'entoure, et
c) la différence entre la vitesse du gaz porteur
(approx. 320 m/s) et des particules (approx. 180 m/s) à la
sortie de la tuyère crée des micro-turbulences supplérnentaires
à l'intérieur du jet.
Il s'ensuit que l'angle de divergence A du jet de
particules dans le creuset doit être nettement supérieur à
celui observé lors d'essais à blanc.
Si A devient supérieur à la valeur limite
\~_ do
A il = 2 arctg ~c c
2 Lo
où ~ t = "temps d'ouverture" du bain
do = diamètre de sortie de la tuyère,
on peut calculer que la profondeur de pénétration L n'est plus
que de quelques centimètres.
La présente invention a pour but de proposer une
tuyère qui limite les phénomènes décrits sous les points a
et c ci-dessus et qui assure une profondeur de pénétration
élevée des particules dans le bain liquide, sous condition
que les tuyères d'oxygène soient disposées de facon appropriée.
Ce but est atteint selon l'invention par le fait
que la tuyère dlaccélération est prolongée par une pièce dont
llangle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère d'accé-
lération et est entourée vers son embouchure par une deu-
xième tuyère formant enveloppe et reliée à une source de gaz.
Au lieu de prendre deux sources de gaz distinctes
pour alimenter la tuyère d'accélération et la tuyère formant
enveloppe, on peut dériver une partie du gaz traversant la
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tuyère d'accélération par l'intermédiaire de fentes usinées
dans celle-ci les fentes agissent comme séparateur des phases
gazeuses et particules solides et empêchent le~ particules
solides de pénétrer dans la tuyère formant enveloppe.
Les avantages de l'invention consistent dans l'ob-
tention d'un jet de matière carbonée dont l'angle de diver-
gence A est inférieur à 2 (pour des essais à blanc). Pour
autant que A reste inférieur à A dans le creuset, la
seull
profondeur de pénétration théorique sera approximativement de
2 m. De plus, le jet de gaz supplémentaire empêche une
comhustion prématurée de la matière granulée au-dessus du
bain métallique.
D'autres avantages et caractéristiques de l~invention
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description
ci-après d'un mode de réalisation préféré de l'invention,
/ faite en référence au dessin ci-joint, dans lequel:
I La figure 1 représente de façon schématique une
coupe à travers une partie d~une tête de lance réalisée
conformément à la présente inventionO
Sur la figure on distingue la tuyère 1 reliée à une
source de particules solides et de gaz, qui guide le jet de
gaz porteur/matières solides 2. A l'embouchure 3 de la
tuyère centrale 1, le gaz porteur possède une vitesse Vl supé-
rieure à 300 m/s alors que la vitesse V2 des granules de
matière solide est inférieure à 200 m~s. Une pièce conique
tronquée 4, d'une longueur comprise entre 10 et 50 cm et à
angle d'évasement supérieur à celui de la tuyère 1 valant
quelque 2, est montée dans la prolongation de la tuyère
centrale 1. La différence de section des deux bases 3 et 5
de la pièce conique 4 est choisie telle que la vitesse du gaz
porteur soit comparable à celle des particules soli~es à
-- 5 -
l'embouchure 5. Etant donné la faible longueur de la pièce
conique 4, la vitesse des particules solides varie peu.
Une tuyère 8 concentrique à la tuyère centrale 1
et formant enveloppe présente vers son embouchure 9 des parois
parallèles, de sorte à obtenir un flux de gaz 10 parallèle.
Le gaz 10 jouant un rôle d'écran est de préférence identique
au gaz porteur et possède, en passant entre les parois paral-
lèles, une vitesse ou bien proche de celle du gaz porteur
après le passage de celui-ci à travers la pièce conique 4,
ou bien supersonique (moyennant l'adjonction d'une tuyère de
Laval annulaire). A l'approche de l'embouchure 9 de ].a tete
de lance, le gaz porteur et les particules solides présentent
par conséquent des vitesses sens.i.blement égales. :Pou~ éviter
que la pièce conique 4 ne soit, de par sa forme divergente, la
source de turbulences dans le gaz 10, celle-ci est avanta-
geusement prolongée par une pièce cylindrique 6, dont la paroi
s'amincit vers son embouchure 7.
Dans la variante d'exécution représentée, 1 T embou-
chure 7 du conduit, qui guide le mélange de gaz porteur~par-
ticules solides, est placée en retrait de l'embouchure 9 dela tuyère 8 qui forme enveloppe. Ceci permet de souffler lors
de l'affinage et entre les phases de recarburation uniquement
du gaz (ayant un rôle de refroidissement et de protection
contre les éclaboussures de scories et de métal) à travers la
tUyère 8, le gaz utilisé peut être neutre ou oxydant:
lorsqu'il est oxydant, une légère surpression doit être main-
tenue à l'intérieur de la tuyère 1. Lors des phases de re-
carburation, il est indiqué de choisir un gaz-écran neutre.
La lance comporte en outre plusieurs tuyères ~non
représentées) pour l'oxygène d'affinage, disposées à égale
distance autour de la tuyère centrale. Ces jets d'oxygène
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d'affinage sont inclinées d'un angle déterminé ~ par rapport
à l'axe de la lance. Dans une première zone proche de la tête
de lance l'effet d'aspiration des jets d'oxygène d'affinage
et les ondes de cisaillement 11 qui en résultent perturbent
principalement le flux de gaz-e~ran sans trop é}argir le jet
; de gaz porteur~matières solides, qui garde donc ses pro-
priétés de pénétration~ ~L'angle ~ déterrnine l'étendue de la
deuxième zone caractérisée par la présence simultanée des 3
phases, gazeuse, liquide et solide. Ce sont finalement tous
les paramètres gouvernant la forme de cette 2è zone q~li
favorisent ou défavorisent la dissolution des particu].es de
- charbon dans }'acier }iquide dans une troisième zone, dont la
}imite supérieure est la surface du bain d'acier.
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