EP0165198A2 - Dispositif d'adaptation pour tuyère d'accélération de particules solides - Google Patents

Dispositif d'adaptation pour tuyère d'accélération de particules solides Download PDF

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EP0165198A2 EP85630080A EP85630080A EP0165198A2 EP 0165198 A2 EP0165198 A2 EP 0165198A2 EP 85630080 A EP85630080 A EP 85630080A EP 85630080 A EP85630080 A EP 85630080A EP 0165198 A2 EP0165198 A2 EP 0165198A2
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acceleration
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    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
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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
    • 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
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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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

Definitions

  • the present invention relates to an adaptation device for a nozzle for accelerating solid particles using a carrier gas.
  • Such nozzles serve in particular to introduce pulverulent carboniferous material into a steel bath.
  • the rate of scrap metal or other cooling additions that one manages to incorporate into a metal in the process of refining depends mainly on the composition of the cast iron, the temperature of the charge and the thermodynamic course of the refining operation. To reduce the cost price of steel, it is imperative to exceed the current addition rates of some 400 kg of scrap metal per ton of pig iron.
  • One of the known methods consists in increasing the afterburning 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.
  • gaseous materials to have in this latter case a suitable absorption of the carbonaceous material by the bath, it is necessary that the latter not only present well-defined oxygen and carbon concentrations, but it is also necessary that the carbonaceous material has an energy kinetics and sufficient concentration at the exit of the lance to enter the bath. High kinetic energy is also required to avoid premature combustion of the carbonaceous material above the bath.
  • the object of the present invention is to propose a nozzle which limits the phenomena described under points a and c above and which ensures a high penetration depth of the particles in the liquid bath, on condition that the oxygen nozzles are arranged appropriately.
  • the acceleration nozzle is extended by a part whose flare angle is greater than that of the acceleration nozzle and is surrounded towards its mouth by a second nozzle forming envelope and connected to a gas source.
  • part of the gas passing through the acceleration nozzle can be diverted by means of slots machined therein; the slots act as a separator of the gaseous phases and solid particles and prevent the solid particles from entering the nozzle forming an envelope.
  • Other alternative embodiments are described in subclaims 2-10.
  • the advantages of the invention consist in obtaining a jet of carbonaceous material whose angle of divergence A is less than 2 ° (for blank tests). Provided that A remains below A threshold in the crucible, the theoretical penetration depth will be approximately 2 m. In addition, the additional gas jet prevents premature combustion of the granulated material over the metal bath.
  • Fig. 1 schematically represents a section through a part of a lance head produced in accordance with the present invention.
  • a nozzle 1 there is a part of a nozzle 1, connected to a source (not shown) of solid particles and gas and guiding the jet of carrier gas / solid materials 2.
  • the gas carrier has a speed V1 greater than 300 m / s while the speed V2 of the granules of solid material is less than 200 m / s.
  • a truncated conical piece 4 of a length of about twenty centimeters and with a flaring angle worth some 2 ° (greater than that of the central nozzle), is mounted in the extension of the central nozzle 1.
  • the difference of section of the two bases 3 and 5 of the conical part 4 is chosen such that the speed of the carrier gas is comparable to that of the solid particles at the mouth 5. - Given the short length of the conical part 4, the speed of the particles solids varies little.
  • a nozzle 8 connected to a gas source under pressure (not shown), is concentric with the central nozzle 1 and forms an envelope around the latter. It has, towards the mouth of the device, parallel interior and exterior walls, so as to create a gas flow 10 that is substantially parallel.
  • the gas 10 acting as a screen is preferably of the same nature as the carrier gas and has, passing between the parallel walls, a speed or very close to that of the carrier gas after the passage of the latter through the room.
  • conical 4, or else supersonic by means of the addition of an annular Laval nozzle, as indicated in dotted lines - reference 12- in fig. 1).
  • the source of turbulence in the gas 10 the latter is advantageously extended by a cylindrical part 6, the wall of which tapers towards its mouth 7.
  • the conduit which guides the mixture of carrier gas / solid particles also approaches the mouth as the inner wall of the nozzle forming the envelope. It is advantageous to place the mouth 7 of the conduit which guides the mixture of carrier gas / solid particles set back from the mouth 9 of the nozzle 8 which forms an envelope. This makes it possible to blow during the refining and between the recarburization phases only of the gas (having a cooling role and of protection against splashes of slag and metal) through the nozzle 8.
  • the gas used can be neutral or oxidizing ; when it is oxidizing, a slight overpressure must be maintained inside the nozzle 1. During the recarburization phases, it is advisable to choose a neutral screen gas.
  • the lance also comprises several nozzles (not shown), arranged at equal distance around the central nozzle, supplying the refining oxygen jets. These oxygen jets are inclined at a determined angle X relative to the axis of the lance. In a first zone, close to the lance head, the suction effect of the refining oxygen jets and the shear flow 11 which results therefrom, mainly disturbs the flow of gas-screen without excessively enlarging and disturbing the carrier gas / solid matter jet, which therefore retains its penetrating properties.
  • the angle X determines the extent of a second zone, located in the extension of the first zone and which is characterized by the simultaneous presence of gas (carrier gas, screen gas and refining oxygen) of steel drops in origin of the bath and of powdery carboniferous material. It is ultimately all the parameters governing the width of this second zone which influence the dissolution of the coal particles in the liquid steel in a third zone, located in the extension of the first and second zones and the upper limit of which is the surface of the steel bath.
  • gas carrier gas, screen gas and refining oxygen

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Abstract

Dispositif d'adaptation pour tuyère (1) d'accélération de particules solides, en particulier de matières carbonifères pulvérulentes destinées à recarburer un bain d'acier. La tuyère (1) d'accélération est prolongée par une pièce (4) ayant sensiblement la forme d'un cône tronqué dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère d'accélération et par un tube cylindrique (6) dont la paroi s'amincit vers son embouchure (7). La pièce (4) est entourée par une deuxième tuyère (8) formant enveloppe ayant des parois parallèles vers son embouchure (9).

Description

  • La présente invention concerne un dispositif d'adaptation pour tuyère d'accélération de particules solides à l'aide d'un gaz porteur. De telles tuyères servent en particulier à introduire de la matière carbonifère pulvérulente dans un bain d'acier.
  • Le taux de mitrailles ou autres ajoutes refroidissantes qu'on arrive à incorporer à un métal en voie d'affinage dépend principalement de la composition de la fonte, de la température de la charge et du déroulement thermodynamique de l'opération d'affinage. Pour réduire le prix de revient de l'acier, il est impératif de dépasser les taux d'ajoutes actuels de quelque 400 kg de mitraille par tonne de fonte. Une des méthodes connues consiste à augmenter le taux de postcombustion 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 supplémentaires. 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. Or, pour avoir dans ce derniers 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 concentration suffisantes à la sortie de la lance pour pénétrer dans le bain. L' énergie cinétique élevée est également requise pour éviter une combustion prématurée de la matière carbonée au-dessus du bain.
  • Dans la demande de brevet EP 84630036 la demanderesse a décrit un dispositif d'accélération de particules solides en suspension dans un gaz, comportant une source de gaz sous pression, 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 façon spécifique; il faut en effet éviter que la vitesse du gaz n'augmente brusquement sur les derniers mètres du conduit étant donné que cette vitesse ne peut plus être 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 l'embouchure, la vitesse du gaz étant à cet endroit légèrement inférieure à la vitesse sonique.
  • Bien que le dispositif mène à des résultats excellents d'un point de vue vitesse des particules solides, on soupçonnait néanmoins que la profondeur de pénétration des particules solides dans le bain était faible. Des calculs théoriques montrent que la profondeur de pénétration L d'un jet de particules dans un bain de liquide vaut, sans la présence des jets d'oxygène: (pour des angles de divergence A faibles et des concentrations de particules élevées)
    Figure imgb0001
    • Qc = débit particules (kg/min) L = hauteur de la lance au dessus du bain (m)
    • v = vitesse particules (m/s)
    • P 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 (1) une profondeur de pénétration L allant de 15 à 50 cm. (avec Qc = 300 kg/min, vc = 150 m/s, Lo m 1,5 m).
  • En réalité on est loin des conditions idéales qui ont mené à l'équation (1). 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 jet gaz/ matières solides. L'effet d'aspiration des jets d'oxygène entratne 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 subit par conséquent une expansion brusque causant un déplacement 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. Ces contre-courants renforcent l'action de cisaillement entre le jet central et l'atmosphère qui l'entoure.
    • 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 supplémentaires 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
    Figure imgb0002
    on peut calculer que la profondeur de pénétration L n'est plus que de quelques centimètres.
  • (A t = "temps d'ouverture" du bain do = diamètre de sortie de la tuyère).
  • La présente invention a comme 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 façon appropriée.
  • Ce but est atteint selon l'invention par le fait que la tuyère d'accélération est prolongée par une pièce dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère d'accélération et est entourée vers son embouchure par une deuxième 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 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 les particules solides de pénétrer dans la tuyère formant enveloppe. D'autres variantes d'exécution sont décrites dans les sous-revendications 2-10.
  • Les avantages de l'invention consistent dans l'obtention d'un jet de matière carbonée dont l'angle de divergence A est inférieur à 2° (pour des essais à blanc). Pour autant que A reste inférieur à Aseuil dans le creuset, la profondeur de pénétration théorique sera approximativement de 2 m. De plus, le jet de gaz supplémentaire empêche une combustion prématurée de la matière granulée au-dessus du bain métallique.
  • L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide d'un dessin représentant deux modes d'exécution.
  • - La fig. 1 représente de manière schématique une coupe à travers une partie d'une tête de lance réalisée conformément à la présente invention.
  • Sur la fig. 1 on distingue une partie d'une tuyère 1, reliée à une source (non représentée) de particules solides et de gaz et guidant le jet de gaz porteur/matières solides 2. A l'embouchure 3 de la tuyère centrale 1, le gaz porteur possède une vitesse V1 supérieure 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 d'une vingtaine de centimètres et à angle d'évasement valant quelque 2° (supérieur à celui de la tuyère centrale), 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 solides à l'embouchure 5. - Etant donné la faible longueur de la pièce conique 4, la vitesse des particules solides varie peu.-
  • Une tuyère 8, reliée à un source de gaz sous prèssion (non représentée), est concentrique à la tuyère centrale 1 et forme enveloppe autour de celle-ci. Elle présente, vers l'embouchure du dispositif, des parois intérieures et extérieures parallèles, de sorte à créer un flux de gaz 10 sensiblement parallèle. Le gaz 10 jouant le rôle d'écran est de préférence de même nature que le gaz porteur et possède, en passant entre les parois parallèles, 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, tel qu'indiqué en pointillé - référence 12- sur la fig. 1). Pour éviter que la pièce conique 4 ne soit, de par sa forme divergente, la source de turbulences dans le gaz 10, celle-ci est avantageusement prolongée par une pièce cylindrique 6, dont la paroi s'amincit vers son embouchure 7.
  • Dans la variante d'exécution représentée, le conduit qui guide le mélange de gaz porteur/particules solides fait à l'approche de son embouchure également office de paroi intérieure de la tuyère formant enveloppe. Il est avantageux de placer l'embouchure 7 du conduit qui guide le mélange de gaz porteur/particules solides en retrait de l'embouchure 9 de la 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 maintenue à l'intérieur de la tuyère 1. Lors des phases de recarburation, il est indiqué de choisir un gaz-écran neutre.
  • La lance -comporte en outre plusieurs tuyères (non représentées), disposées à égale distance autour de la tuyère centrale, fournissant les jets d'oxygène d'affinage. Ces jets d'oxygène sont inclinés d'un angle déterminé X 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 le flux de cisaillement 11 qui en résulte, perturbe principalement le flux de gaz-écran sans trop élargir et perturber le jet de gaz porteur/matières solides, qui garde donc ses propriétés de pénétration. L'angle X détermine l'étendue d'une deuxième zone, située dans le prolongement de la première zone et qui est caractérisée par la présence simultanée de gaz (gaz porteur, gaz écran et oxygène d'affinage) de gouttes d'acier en provenance du bain et de matiére carbonifère pulvérulente. Ce sont finalement tous les paramètres gouvernant la largeur de cette deuxième zone qui influent sur la dissolution des particules de charbon dans l'acier liquide dans une troisième zone, située dans le prolongement des première et deuxième zones et dont la limite supérieur est la surface du bain d'acier.

Claims (10)

1. Dispositif d'adaptation pour tuyère (1) d'accélération de particules solides, en particulier de matière carbonifère pulvérulente destinée à recarburer un bain d'acier, la dite tuyère étant reliée à une source de gaz et de particules solides, caractérisé en ce que la tuyère (1) d'accélération est prolongée par une pièce (4) dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère d'accélération et en ce qu'elle est entourée vers son embouchure par une deuxième tuyère (8) formant enveloppe et reliée à une source de gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (8) formant enveloppe a ses parois intérieure et extérieure parallèles vers son embouchure.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (8) formant enveloppe constitue, en amont de l'embouchure, une tuyère de Laval (12) annulaire.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (4) dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère (1) d'accélération est un cône tronqué.
5. Dispositif selon une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que la pièce (4) dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère (1) d'accélération a une longueur comprise entre 10 et 50 cm.
6. Dispositif selon une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que ledit angle d'évasement vaut quelque 2°.
7. Dispositif selon une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que la pièce (4) dont l'angle d'évasement est supérieur à celui de la tuyère (1) d'accélération est prolongée par une pièce (6) en forme de tube.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pièce (6) en forme de tube est un cylindre dont la paroi s'amincit vers son embouchure (7).
9. Dispositif selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'embouchure (7) du conduit (1,4,6) qui guide les particules solides est placée en retrait de l'embouchure (9) de la tuyère (8) formant enveloppe.
10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (8) formant enveloppe est reliée, par l'intermédiaire de fentes prévues dans la tuyère (1) d'accélération, à la source de gaz alimentant la tuyère (1) d'accélération.
EP85630080A 1984-05-15 1985-05-14 Dispositif d'adaptation pour tuyère d'accélération de particules solides Expired - Lifetime EP0165198B1 (fr)

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EP0165198A2 true EP0165198A2 (fr) 1985-12-18
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EP (1) EP0165198B1 (fr)
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KR (1) KR930001328B1 (fr)
AT (1) ATE54335T1 (fr)
AU (1) AU569620B2 (fr)
BR (1) BR8502209A (fr)
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ES (1) ES8608113A1 (fr)
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