LU84686A1 - Dispositif d'acceleration de particules solides - Google Patents
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Description
Dispositif d'accélération de particules solides.
La présente invention concerne un dispositif d'accélération de particules solides par l'intermédiaire d'un gaz. De tels dispositifs 5 peuvent en particulier être employés pour recarburer des bains d'acier en voie d'affinage.
Le taux de mitrailles ou autres ajoutes refroidissantes qu'on arrive à incorporer à un métal en voie d'affinage dans le cadre des procé-10 dés 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 phosphoreu-15 se. 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 20 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 25 se faire par le bas à travers des tuyères ou des éléments perméables logés, situées 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 - 2 - première phase de soufflage.
La demanderesse a décrit dans sa demande de brevet LU 84.444 un système d'alimentation en matières solides d’une lance de soufflage 5 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 dés différents débits de gaz et de matière carbonée et des 10 moyens pour brancher séparément ou conjointement lesdits circuits sur un conduit aboutissant à la lance. L'expérience a montré 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 15 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. Etant donné que le jet de gaz exerce un effet 20 refroidissant, il est également essentiel d'introduire la quantité désirée de matière carbonée dans le bain à l'aide d'un minimum de gaz porteur.
Lors de la construction et de l'implantation d'un dispositif servant 25 à introduire de la matière carbonée dans un bain métallique, il faut en général tenir compte d'équipement existants, tel que la source de gaz profitêe 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 lances tout comme les chariots 30 porte-lance ne permettent pas de dépasser certains diamètres des * conduits pour des raisons de dimensionnement resp. de poids.
En ce qui concerne la granulométrie du charbon, notons que des grains trop fins ont tendance à coller ensemble. Des expériences ont 35 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 - 3 - la vitesse désirée. La dimension tout comme la structure des grains « est également d'une importance capitale en ce qui concerne les pro blèmes d'abrasion des conduits. La qualité de la matière carbonée et l'influence des impuretés sur la combustion sur le bain (humidité, 5 matières volatiles) ainsi que sur la charge métallique (soufre) sont des facteurs tout aussi importants.
L'invention a comme but de proposer un dispositif d'accélération capable de fournir à sa sortie un jet de matière granulée concentré, à 10 une vitesse aussi élevée que possible, et susceptible de s'intégrer facilement dans des installations existantes.
Ce but est atteint par le dispositif selon l'invention dont le conduit d'amenée du mélange gaz/particules solides présente une section 15 qui varie sur au moins 5 m en amont de l'embouchure. Des variantes de réalisation préférentielles de l'invention sont décrites dans les sous-revendications.
L'idée à la base de l'invention découle d'essais effectués sur des 20 lances de dimensions variées, alimentées par des pressions de gaz et des mélanges gaz/particules solides variés. Les essais ont notamment montré que le jet de particules solides sortant de la lance devient plus concentré et que la vitesse des particules augmente si la pression statique du mélange gaz/particules se rapproche, à l'embouchure 25 de la lance, de la pression atmosphérique (1 bar). Il fut constaté que cette valeur de 1 bar est optimale. Si la pression en bout de la lance devient inférieure, le conduit se bouche, si elle devient supérieure, le jet de particules se disperse à la sortie de la lance et l'effet d'impact diminue.
30 * 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 35 vitesse du gaz aussi élevée que possible. Or les forces de frottement entre gaz et particules diminuent considérablement (sous l'hypothèse que les particules sont sphériques) pour des vitesses du gaz 4 - proches d'un nombre de Reynolds critique correspondant approximati-. veraent à la vitesse sonique du gaz. La création locale de vitesses supersoniques du gaz, p.ex. à l'aide de tuyères de Laval, n'aboutit pas à des résultats probants: la vitesse supersonique du gaz ne 5 subsiste que sur une distance réduite en aval de l'étranglement de la tuyère, de sorte qu'il n'est pas possible de communiquer cette vitesse aux particules solides.
En vue de communiquer avec un rendement acceptable une vitesse maxi— 10 male 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 15 de la pression atmosphérique.
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 donnés il faut choisir un conduit 20 d'autant plus court qu'on veut avoir débit nominal de charbon plus élevé et queplus le conduit est court plus la différence entre les vitesses du gaz et des particules à 1'embourchure de la lance est importante. En plus il est apparu que pour aboutir à des vitesses de particules acceptables il faut prévoir des longueurs de conduit 25 prohibitives.
Exemple
On dispose d'une source capable de fournir 2300 Nm^/h de gaz sous 30 une pression de 16 bar. Pour avoir un débit de gaz de 2300 Nm^/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} \a granulométrie moyenne est de 5 mm· 35 - Un débit de charbon optimal de 400 kg/min conduit dans ces condi tions à une vitesse de particules de charbon de quelque 120 m/s et exige une longueur de conduit de 60 m- - 5 - - Un débit de charbon optimal de 300 kg/min conduit à une vitesse , des particules de charbon de quelques 140 m/s pour une longueur de conduit de 90 m.
5 On constate qu'il y a un écart substantiel entre les vitesses du gaz (quelques 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.
10 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 15 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, la vitesse du gaz monte de façon quasi-exponentielle et que la vitesse des particules ne fait que doubler. En se plaçant dans les conditions de l'exemple précédent on a: 20 - pour une longueur totale du conduit de 60 m (débit de charbon 400 kg/min) les vitesses du gaz et des particules valent respectivment 85 m/s et 70 m/s après une distance de parcours de quelques 50 m 25 - 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.
Pour obtenir une augmentation moins brusque de la vitesse du gaz sur 30 les derniers mètres du conduit, vitesse qui ne peut manifestement * plus être transmise aux particules solides, la demanderesse a fait des essais avec des conduits présentant vers l'embouchure une section variable.
35 Les premiers essais mettaient en oeuvre un conduit ayant à l'embouchure une section identique (50 cm de diamètre) à celle employée dans les essais décrits plus hauts. Le conduit présentait un évasement continu depuis un étranglement (convergent réduisant le diamê- - 6 - tre à 2,8 cm) qui se trouvait une dizaine de mètres en aval de l'embouchure. La perte de charge provoquée par l'étranglement était compensée par une augmentation de la pression de source à 25 bar. Rela-* tivement à un conduit de section uniforme alimenté sous une pression 5 dé 25 bar,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 10 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 8 cm).
Pour conserver une pression proche de la pression atmosphérique près 15 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. (Débit de charbon 500 kg/min ; longueur du con-20 duit 50m).
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 effec-25 tués.- Sur les figures 1 et 2 on distingue deux exemples de coupes (A10, All resp. A20, A21) de conduits dont les variations de diamètres ne sont plus proportionelles à la longueur, ainsi que les variations de la vitesse du gaz (Ul resp. U2), des particules (VI . . - resp. V2) et de la pression (PI resp. P2) en fonction de la dimen- 30 sion longitudinale du conduit près de l'embouchure. On part dans le J cas de la figure 1 avec un conduit possédant jusqu'au mètre 3,5 un r * diamètre de 5 cm. Dans le but d'aboutir également à un diamètre du conduit de 5 cm à l'embouchure (mètre 20) on diminue d'abord le diamètre avant de l'augmenter. On. constate que la longueur du conduit ' 35 en amont du convergent ne contribue que de façon mineure à l’accé lération des particules, qui acquièrent pratiquement toute leur vitesse VI sur les vingt derniers mètres avant l'embouchure. On constate 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 210 m/s.
. * * ' \ ’ > . ‘ ‘ , - 7 -
Le conduit représenté en figure 2 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 linéairement et vaut 195 m/s à l'embouchure.
5
On constate que lorsque le dispositif d'accélération comporte un conduit de section qui augmente sur au moins 5 mètres en amont de l'embouchure, il est possible d'accélérer les particules solides à des vitesses se rapprochant de celles du gaz porteur. Un autre 10 avantage non négligeable consiste dans le fait qu'on n'est plus obligé d'employer des conduits de quelque 90 mètres pour obtenir des vitesses des particules appréciables. L'utilisation judicieuse de convergents permet de limiter les dimensions du conduit à l'embouchure, l'usure par abrasion en amont du convergent et l'intégration 15 facile de la partie divergente du conduit dans des têtes de lance de conception connue. Il est bien évident qu'on peut également introduire les particules solides dans le bain en fusion en utilisant des lances autonômes, indépendantes des lances qui fournissent l'oxygène, possédant leur propre circuit de refroidissement et leur 20 propre chariot de support.
L'invention a été décrite en ayant en vue les problèmes spécifiques à l'affinage de bains de fonte, mais on ne peut à priori pas exclure d'autres applications, tel que le sablage etc., où on a besoin de 25 particules solides possédant des vitesses élevées, et où un conduit de section variable tel que décrit plus haut est susceptible de mener aux vitesses désirées.
w» *
Claims (7)
1. Dispositif d'accélération de particules solides comportant une source de gaz sous pression, des moyens de dosage du gaz et des 5 particules solides et des conduits d'amenée du mélange gaz/parti- cules solides à l'endroit désiré caractérisé en ce que la section du conduit d'amenée varie sur au moins 5 m en amont de l'embouchure. .10
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section du conduit augmente en continu en direction de l'embouchure.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la 15 section du conduit augmente en direction de l'embouchure en suivant une variation suivant une fonction croissante non-linéaire en fonction de la longueur.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la 20 section du conduit augmente en direction de l'embouchure con formément au système d'équation suivant: (0) condition de départ: u(x)=f(x donné, p.ex. linéaire) 25 (1) dp(x) = pg(x) ÇQ . A-u2(x) + k.2.Ac(x) . (u(x)-v(x)) dx 2p0 *- d Ag(x) J 30 (2) dv(x) = 3.Cp.Ç^(x) . (u(x) - v(x))2 ^ dx 4-Sc . dc · v(x) il IISc 35 (3) d(x) = I 6o.u(x).p(x). . v(x) + QN.pn I 900 . u(x) . p(x) . 3.1416 - 2 -où: u(x) = vitesse du gaz au point x du conduit v(x) = vitesse des particules au point x du conduit 5 p(x) = pression du gaz au point x du conduit p0= pression atmosphérique pg(x) = frottement gaz/paroi au point x du conduit d(x) = diamètre du conduit au point x du conduit k,9 = facteurs déduits par calcul théorique ( 0.025 et 1.2 )
10 Ac(x) = surface occupée par les particules dans une coupe au point x du conduit Ag(x) = surface occupée par le gaz dans la même coupe CD= coefficient de résistance induite <^g= densité du gaz
15 Cjcs poids spécifique des particules dc= diamètre de la particule supposée sphérique qc= débit des particules ( kg/min) Qn= débit du gaz ( Nm*Vh) Λ = coefficient de frottement gaz/paroi 20
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section du conduit diminue d’abord d’au moins 30 % de sa valeur initiale et augmente ensuite en continu en direction de l'embouchure. 25
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la ! section du conduit augmente en direction de l'embouchure en suivant une variation suivant une fonction croissante non-linéaire en fonction de la longueur. 30 /
7. Dispositif selon les revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que la variation de la section du conduit est interrompue par des paliers ou la section du conduit reste constante.
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