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' 13237~8 ~
L'invention concerne une lance pour l'affinage de
3 métaux ou de feroalliages par soufflage d'oxygene par le
haut.
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 laterales fournissant des jets
i, obliques pour la post-combustion du monoxyde de carbone,
j nécessite certains calculs qui doivent en particulier 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 vitesse ou le degré de dureté du jet. La
tuyère d'une lance comporte 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 du
convergent.
Il appara;t que ces deux grandeurs dependent de
! la configuration geometrique de la tuyère et ne sont pas
variables independamment l'une de l'autre. Cela veut dire
qu'il n'est pas possible de proceder à un soufflage à jet
dur et debit reduit à l'aide d'une lance conçue pour avoir
un debit optimal eleve, ni d'effectuer un soufflage à jet
mou et débit réduit, à l'aide d'une lance conçue pour avoir
un débit éleve, sans s'eloigner dans un sens ou dans l'autre
des grandeurs optimales liees à la configuration geometrique
de la tuyère. Or, si l'on essaie de depasser les limites du
point de vue débit et vitesse de sortie, il se crée à
."'~'' ~ '. '
13237~8
~ . .
l'interieur du convertisseur et aux abords de l'embouchure ~ -~
de la lance des ondes de choc. Les caractéristiques du jet
se dégradent et l'usure de la lance progresse rapidement.
Le métallurgiste peut désirer projeter sur le
bain en voie d'affinage un jet vertical mou, à un débit ~ ;
elevé. Une telle manière de souffler est à recommander au -;
.
cours de l'affinage lorsqu'il s'agit de former un laitier
fortement oxyde. Il est tout aussi bien imaginable qu'il ~-~
. .
veuille souffler un jet d'oxygène vertical dur, à debit ;
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 garantis-
sant une décarburation vigoureuse du métal.
Le but de la presente invention est de creer une
lance de soufflage d'oxygène, dont le concept permet de
~ .
varier le nombre de Mach et le debit optimal, independamment
l'un de l'autre tout en n'utilisant qu'un minimum de pièces
mobiles.
Un critëre essentiel à respecter est l'utilisa-
tion d'un minimum de moyens mecaniques, c'est-à-dire qu'il ~ ~
faut arriver au but recherche sans avoir à mettre en oeuvre ~ -
des moyens capables de varier la configuration géometrique
de sortie de la tuyère. En effet, des moyens mecaniques ~-
permettant de varier le diamètre du divergent d'une tuyère,
ne seraient guère accessibles à des frais abordables.
:, . .:
La presente invention a donc pour objet une lance
: ,. :
pour l'affinage de metaux ou de ferroalliages par soufflage
d'oxygène par le haut, comportant une tete presentant au - -~
moins une tuyère guidant des jets de gaz composes au moins
~.: . -- :
en partie d'oxygène. La lance selon l'invention es~ caracte-
' ;'" ' '
:. ~, ,:,
-2- ~-
.; ~'~.'":
~ ,'; '. ':
_ . ' , '-
~ 3237 ~8
risee en ce que la tuyère se compose d'un conduit intérieur
dont la partie inferieure ebauche une tuyère de Laval
présentant un convergent, un col ainsi qu'une partie d'un
divergent aboutissant à l'embouchure du conduit intérieur et
d'un conduit extérieur, coaxial au conduit intérieur, ayant
. - :--,.:
une section droite supérieure à celle du conduit intérieur
et aboutissant à l'embouchure de la tuyère, des moyens étant
prévus pour changer la section du col du conduit interieur.
L'embouchure du conduit interieur est situee en retrait de
l'embouchure de la tuyère. Le conduit interieur est muni
d'une vanne de regulation de debit et le conduit exterieur
de moyens pour limiter la vitesse du gaz à des valeurs
subsoniques.
Suivant un mode de realisation preferé de l'iv-
nention, les moyens pour changer la section du col du
conduit intérieur sont constitues par une pièce sensiblement
; ~ :.
en forme d'aiguille deplaçable le long de l'axe du conduit
interieur, la partie aigue de l'aiguille pouvant prendre
différentes positions dans le col du conduit interieur.
Suivant un autre mode de realisation prefere, les
moyens pour changer la section du col du conduit interieur
sont constitues par une ouverture annulaire prevue dans la
partie convergente du conduit interieur et reliee à une
source de gaz a pression variable. L'ouverture annulaire est ;~
avantageusement en plusieurs morceaux separes par des ;~
elements de paroi du convergent. De preference, il est
prevu, dans la partie divergente du conduit interieur, un ~t
~'', ,'.~' ',, '
"filtre" supersonique, reliant le conduit interieur au ;~
-3- ~ ~
'' ~'' '' '
.:,
.. : .
.. .
-
~ : :
i323~ ~8
~ ~
sconduit extérieur. Ce "filtre" supersonique peut être -~ ~
constitue, par exemple, par des evidements usines dans la --
paroi de la partie divergente du conduit interieur.
D'autre part, les moyens pour limiter la vitesse -
du gaz dans le conduit exterieur à des valeurs subsoniques ~ -~
~peuvent être constitues par une vanne à ouverture variable.
¦Alternativement, les moyens pour limiter la ~- -
vitesse du gaz dans le conduit exterieur à des valeurs
subsoniques peut être constitues par une tuyère de Laval
10 annulaire suivie d'une cavite.
De preference, l'embouchure du conduit interieur ~ ~ ;
.~ : ..
~est situee d'une dizaine de centimètre en retrait de l'em- -
: ... .
bouchure de la tuyère. La section droite du conduit inte-
rieur vaut de preference au moins 50% et au plus 90~ de
celle du conduit exterieur.
Un avantage capital de l'invention reside dans la ~-
possibilite offerte à l'acieriste de varier, en fonction des ~ ~ -
differentes phases d'affinage, la quantité d'oxygène intro- ~-
duite dans le bain tout en imposant en permanence au jet la
. :. - .:
20 vitesse optimale requise. ;- ;
iD'autres avantages et caracteristiques de l'in- -~
: -:, . : ..,
vention apparaîtront plus clairement à la lecture de la ; ~-
description ci-après de modes de realisation preferes tels
qu'illustres de fason non-limitative dans les dessins
ci-joints, dans lesquels~
la fig. 1 montre de maniare non-limitative une
~::.: .: - . .
forme d'execution possible de la lance suivant l'invention; '~
~ . - .::: . .
_4~
::. .: ,. . .
,: ~: ..
~, -
' ' . ', '' ' - .':
-. ..-, :. .
t3237 ~8
la fig. 2 représente un schema de réglage des
differents eléments, de la lance representee en fig. 1,
~,permettant d'aboutir à la variabilite individuelle du nombre
de Mach et du debit optimal;
la fig. 3 montre une autre forme d'execution
possible de la lance suivant l'invention; et
la fig. 4 montre un exemple de caracteristique
vitesse-debit d'un jet d'oxygène.
On distingue en fig. 1 une partie d'une tête de
!lo lance avec son circuit de refroidissement à l eau 2. La
tuyère 1 fournissant l'oxygène d'affinage se compose d'un
tube interieur 20 sensiblement cylindrique, dont la partie
inferieure 21 est convergente, et d'un tube extérieur 3,
coaxial au tube interieur 20 et egalement sensiblement
cylindrique. L'embouchure 25 du tube 20 est disposee de
quelques dizaines de cm en retrait de l'embouchure 5 de la
tuyère 1. Les deux tubes presentent des vannes de regulation
22 respectivement 4 permettant de regler individuellement la
.. ..
¦ quantité et la pression de gaz les traversant. Notons que
20 ces vannes sont en réalite disposées nettement plus en amont -
des embouchures, par exemple à la hauteur des supports de
fixation de la lance. A l'intérieur du tube 20 est disposee
la pièce 23 en forme d'aiguille. Cette pièce est déplasable
suivant l'axe commun, dans le sens de la double flèche 24 à
l'aide d'un moteur, qui peut être du type pas-à-pas lineaire -
(non represente). On distingue egalement la zone 7, où
l'interaction entre le jet central supersonique en expansion
26, sortant du tube 20 et du jet annulaire subsonique 6,
entourant le jet central, cree des conditions equivalant à -
une reduction effective de la section à la sortie du tube 3.
.,'- - . ' '
-5-
:
.,. ;
i3237~8
,
Ainsi le tube intérieur 20 présente à sa sortie
un convergent 21 dont la section effective est variable
grâce au positionnement régle de la pièce 23 en forme
d'aiguille. Il est souffle à travers ce tube d'oxygène
d'affinage, dont la pression initiale est contrôlée 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 determinee par la position de la pièce 23 en
forme d'aiguille, et arrive dans le tube exterieur 3. En
pénétrant dans ce tube, le jet 26 est expansé.
Le tube extérieur 3 fournit un jet 6 annulaire
d'oxygène ou éventuellement d'air, dont le débit est contrô~
lée à l'aide de la vanne de régulation 4 et enveloppant le
jet expansé 26. Etant donné qu'on profite des phénomènes
:- .: .~ , : :
d'expansion complémentaires d'un jet supersonique et d'un
jet subsonique, la vanne 4 doit au plus être ouverte jusqu'à
: .: .: . . - .:
une position où le jet annulaire 6 devient supersonique;
sinon le fonctionnement de la tuyère n'est plus assuré. D'un
autre coté, il y a lieu d'assurer que la pression statique ;~
20 du jet sortant de la tuyère 1 soit proche de la pression qui ~ ;
~ . :-.: ..
règne dans le récipient métallurgique. Rappelons que lors~
qu'un jet supersonique sort d'une tuyère qui le "guide'~
latéralement en possedant une pression interne supérieure à '
la pression du milieu ambiant, il est le siège d'une expan- - -
sion latérale tellement forte que sa pression interne tombe
en-dessous de celle du milieu ambiant, qui en retour compri- ~
me le jet supersonique: il y a formation d'ondes de choc. Il - ;
est vrai que pour la tuyère selon l'invention on peut, dans ~ ::
: .:,: : - : : ,,
de faibles proportions, repousser cette contrainte imposee à -
30 la pression du jet supersonique à la sortie sans trop '~
- 6 -
.'; '~
1 3 2 3 7 ~j 8 : ~
pertuber sa dynamique. En effet, le jet annulaire subsonique
6 continue à envelopper le jet central 26 supersonique et -~
freine son expansion transversale. -- -
Pour mieux comprendre le fonctionnement, regar- -
dons ce qui se passe lorsque pour une position donnee des
vannes 4 et 22, l'aiguille 23 est rétractee, de sorte à
augmenter la section effective du col 25: le debit du jet
supersonique augmente. A première vue, au regard du fait que ;,~
¦ dans une tuyère de Laval, à pression initiale constante, le
nombre de Mach est fonction du rapport (diamètre de sortie
divergent/diamètre du col du convergent), on pourrait croire
que la vitesse du gaz à la sortie diminue. En fait, dans une
première phase très courte, la vitesse à la sortie diminue ;r
effectivement. Conjointement avec la chute de vitesse, la
pression interne du jet supersonique augmente, ce qui
provoque un élargissement du jet supersonique au dépens du
. . ,.: :. -
jet annulaire subsonique et la vitesse du gaz supersonique
reprend une valeur proche de celle observée avant la modifi~
cation de la position de l'aiguille.
20Une ouverture de la vanne 22 par contre est ~- -
. .
accompagnée d'une augmentation du débit et de la vitesse du ,
gaz. On retrouve le débit de départ en diminuant à l'aide de
,i~ .
l'aiguille la section effective du col 25. ~ ~
.~. : . .
Notons que le degré d'ouverture de la vanne 4 ~ -
n'est pas une variable dont on peut disposer à sa guise. Sa --
fonction primordiale est de réduire la pression de source de
façon à exclure la création d'un jet annulaire supersonique.
Etant donné qu'un jet subsonique possède en sortant d'un
~::
conduit, une pression interne~ egale à celle du milieu ;
ambiant, on a toute liberté de choisir, à l'aide d'essais de
-7-
_ . '' ' .
1 3 2 3 7 ~ 8
routine, le degre d'ouverture de la vanne qui permet, pour
la gamme de débits et de vitesses du jet supersonique, un
elargissement et une contraction optimale de ce jet. Une ;-
fois qu'on a determine cette position, on fixe le zero du
comparateur 40 (voir plus loin explications en rapport avec ;~
la figure 2). Au cours des differents modes de fonctionne~
ment de la lance, le degre d'ouverture de la vanne 4 ne ~
change que faiblement. ;~ - ;
Le schema en fig. 2 est destine à illustrer un ;~
procede de regulation de la marche de la lance de soufflage
suivant l'invention. Les elements-moteurs sont les vannes de
régulation 22 et 4, ainsi que le mecanisme de mouvement de
la pièce 23. Les elements de mesure sont le capteur 30 de la -~
pression, le capteur 31 de position de l'aiguille et le -
capteur 32 de la temperature du jet d'oxygène d'affinage en ~ -
amont du convergent 21 ainsi que le capteur 33 qui mesure la '~
pression du jet à l'embouchure 5 de la tuyère 1.
D'après la theorie sur les tuyères de Laval, on
connaît les relations suivantes~
Po = Pa (1 + k-l M2am~k/k~
2 :
Al = Qn ~ ~ 1 (2)
K Po --
' ~: ,' ~ . ,.: :',
avec ~ = c~ ~ k+l/2(k~
-8-
~ '''"' ~ ' " ''' ' '' '"'' ' ' ; ; ; ! ~
132~758
où - Po est la pression à l'entree de la tuyère de Laval
0 (Pa);
- To est la temperature à l'entree de la tuyère de Laval : .
( K); :
- Pa est la pression à la sortie de la tuyère de Laval :
(Pa) - dans le cas present, la pression régnant dans le
convertisseur -;
- k est egal au rapport de la chaleur massique du gaz à ~ -
pression constante à sa chaleur massique à volume cons~
tant, i.e. Cp/Cv; :-
~ C~ est le coefficient de vitesse de la tuyère qui
exprime les pertes dans la tuyère (cas ideal ~
- e~ est la densite du gaz dans les conditions normales, ~ :
i.e. 20~C 1 atmosphère (kg/Nm3);
- Qn est le debit volumique (Nm3/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 ); et ; - -
- Mam est le nombre de Mach a l'embouchure. '
Les deux relations (1) et (2) sont calculees dans :~ :
les genérateurs de fonction 42 ou 43. Les entrees du genéra-
teur 42 sont la pression Pa regnant dans le convertisseur
ainsi que la vitesse (en fait le nombre de Mach Mam) desiree ~ ; .
a l'embouchure 5 de la tuyere 1. La pression (calculee) Po, .. ;.--
qui devrait régner a l'entree de la tuyere de Laval, est
comparee (reference 44) a la pression reelle P mesuree par '~ ~ .
le capteur 30 et la difference est appliquee au regulateur
1 45 qui agit sur la vanne 22. Le generateur 43 resoit sur ses ~:
¦ 30 entrees la pression Po devant regner a l'entree de la tuyere
:~: ..,
.,, - ~.
~9~
: ' ' .
" .. "
13237~8
de Laval, le débit nominal Qn desiré, ainsi que la tempéra-
ture To à l'entrée de la tuyere de Laval; la section calcu-
lée du col est comparée (référence 46), à la sectlon réelle
du col mesurée à l'aide du capteur de position 31 et la
différence est appliquée 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
convertisseur et agit sur le régulateur 41, de sorte à
annuler toute différence de pression. Les différents régula-
I 10 teurs sont avantageusement du type "régulateur optimal de
¦ Kalman".
I En fig. 3 est représentée de manière schématisée
¦ une variante d'une tuyère ne comportant aucune partie
¦ mobile. Le système de refroidissement n'est pas représenté.
L'aiguille à position variable est remplacée par un écoule-
ment gazeux coaxial subsonique 301 injecté à une pression
légèrement supérieure à la pression statique locale du jet
central. Cet "anneau" subsonique a sa source dans une
ouverture annulaire 310 usinée dans la partie convergente de
la tuyère de Laval 306 et reliée à une chambre torique 311,
égalisatrice de pression. la chambre 311 est alimentée, par
l'intermédiaire du conduit 312, à une pression qui est
fonction de l'importance de l'anneau subsonique 301 désiréè.
Comme gaz, on peut choisir n'importe quel gaz ne reagissant
pas chimiquement avec le jet central 305, et de preference
de l'oxygène ou de l'air. L'anneau subsonique 301 est
éliminé, après le passage du col, à travers un divergent
poreux, les trous 302 en question etant usines de façon à
former un "filtre" supersonique, (i.e. ils sont "transpa-
rents" à un ecoulement subsonique et inexistants pour un
~ ."-, '' '
-10- ..... .
;~
i323758
ecoulement supersonique et ce grâce aux proprietes de
l'expansion et de la compression supersonique). La quantite ~'
de gaz qui rejoint ainsi le jet subsonique annulaire 303 est ,
faible, de sorte à ne perturber ce jet que de façon mineure.
:. . . .
L'expansion du jet central supersonique 309
jusqu'à la pression ambiante a lieu dans un jet annulaire
subsonique 303 dont le debit est limite par une tuyère de
Laval annulaire 307 en amont d'une cavite 308 jouant le rôle
d'un accumulateur. Cet ensemble constitue essentiellement un
système d'asservissement de l'expansion.
Le gaz formant le jet annulaire 303 provient d'un
prelèvement 304 du jet central 305 en amont de la tuyère de
Laval 306. La quantite de gaz prelevee est negligeable par
rapport à la quantite de gaz vehiculee par le jet central
305. La pression à l'entree de la tuyère de Laval annulaire
30~ suit les variations de pression du jet central, varia-
tions qui sont fortement amorties par l'action combinee de
la tuyère de Laval annulaire 307 et de la cavite 308 jouant
le rale d'un accumulateur. Les dimensions de la tuyère de
Laval annulaire et de la cavite sont choisies en fonction de
la plage de fonctionnement du jet supersonique, tel qu'il a
ete explique plus haut en rapport avec la vanne 4 (fig. 2);
en particulier, il faut assurer dans la partie avale de
l'accumulateur une pression statique inferieure à celle du
jet central supersonique.
En fig. 4 on distingue les caracteristiques, d'un
point de vue débit et vitesse, d'un jet d'oxygène de souf-
flage realisable par la lance selon l'invention. En abscis-
ses se trouve le nombre de Mach M et en ordonnees le debit
d'oxygène Q en Nm /min sortant de la tuyère 1~ En fonction
.. .
-11- '' .;: ' ,'
.,
. . :. . .: .
~ ~ 2 3 7 ~ 8 ~
des dimensions geometriques de la tuyère 1 (section du
conduit en amont de ia tuyère, allure du convergent, sec-
tions maximales et minimales du col, distance à l'embouchure
, - . .
~ ... ect), il existe une plage 50 dans laquelle les modalités
j de fonctionnement de la lance sont optimales. On peut
¦ evidemment sortir de cette plage, par exemple obtenir un
nombre de Mach nettement superieur à M2 en augmentant
fortement la pression en amont du convergent, mais dans ce
cas on aura egalement des pertes energetiques elevees
(notamment ondes de choc). Dans la plage 50 se trouve
egalement represente un exemple de chemin 51 balaye lors du
processus de soufflage, avec differents etats de fonctionne-
ment 52,53,54,55, correspondant à des phases d'affinage bien
definies. Il apparaît qu'au lieu de mettre en oeuvre un
¦ système tel que represente sur la fig. 2, qui permet de
faire fonctionner la lance de manière optimale pour n'impor-
te quel etat de fonctionnement inclus dans la plage 50, on
peut egalement, par de simples essais, determiner une fois
pour toutes les quelques etats de fonctionnement ~par
exemple 52, ... 55) dont on a normalement besoin au cours de
l'affinage et n'utiliser que ceux-ci.
L'invention a ete exposee à l'aide de tubes
exterieur et interieur de forme sensiblement cylindrique. Il
est bien evident que n'importe quelle forme (par exemple
ovale) permettant de respecter les relations de Laval peut
être utilisee. Pareillement, au lieu d'utiliser une aiguille
ou une "ceinture" gazeuse~ on peut utiliser n'importe quel
.: ,. ~..
autre moyen aboutissant à un changement de section effec-
. .
tive.
-12-
: ;:,:,.',, .',
:, ~
.
,.:
