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"Procédé et dispositif pour le prélèvement d'ébhantillons de gaz brûlés".
La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de prise d'échantillons aussi instantanée que possible, de gaz brûlés chargés de poussières et éventuellement de vapeur d'eau, dans les procédés métallurgiques à déroulement rapide en particulier dans les procédés de soufflage d'oxygène par le haut en vue de l'élaboration d'aciers.
Dans les procédés de soufflage d'oxygène par le haut en vue de l'élaboration d'acier, la durée de soufflage est comprise entre 15 et 25 minutes selon le processus mis en oeuvre et la composition de la fonte. Pendant ce laps de temps, de 45 à 65 Nm3 d'oxygène par tonne de fonte sont insuffles. En outre, il se forme de 55 à 80 Nm3 environ de gaz brûlés par tonne de fonte, essentiellement constitués par de l'oxyde de carbone et par une faible quantité d'anhydride carbonique, en raison de la réaction avec le carbone dans le bain. En outre, le gaz brûlé peut contenir de l'hydrogène et de la vapeur d'eau.
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Dans les installations récentes, le gaz brûlé est recueilli dans un système d'évacuation des gaz, après sa sortie du bec du convertisseur, et il est entraîné vers une installation de dépoussiérage. Sur le parcours qui va du bec du convertisseur au système d'évacuation des gaz, une plus ou moins grande quantité d'air vient s'ajouter au gaz brûle, l'importance de cette quantité d'air étant fonction du procédé mis en oeuvre et brûle l'oxyde de carbone et éventuellement l'hydrogène contenus dans le gaz brûlé. Dans certains processus de dépoussiérage, l'on supprime dans toute la mesure du possible pendant des laps de temps prolongés, l'admission d'air pendant le soufflage d'oxygène.
L'on obtient alors des teneurs variables en Co2, CO, N2, O2 et éventuellementen H2 et H20, selon le procédé de soufflage mis en oeuvre. Lorsqu'il est admis dans le système d'évacuation des gaz, le gaz brûlé se trouve à une température de l'ordre de 1500 à 2000 C et peut contenir temporairement jusqu'à 200 g de pous- sière par m3 de gaz brûlé, et une teneur élevée en vapeur d'eau.
L'on peut obtenir des renseignements importants sur le dé@@qulement du processus, en considérant la quantité et l'analyse des gaz brûlés. Les valeurs mesurées peuvent être immédiatement converties dans un calculateur électronique, les résultats, par exemple la répartition de l'oxygène dans des réactions avec le bain et avec les scories, peuvent servir de grandeurs de commande et de grandeurs de réglage pour le pro- cédé. On prend pour hypothèse que les résultats des mesures et des calculs sont disponibles aussi-rapidement que possible.
D'une façon générale, la quantité de gaz brûlée est mesurée sur le gaz brûlé refroidi et purifié, à la sortie du système de purification des gaz brûlés, à l'aide d'un dia- phragme de mesure ou analogue. Les durées du retard dans la mesure des quantités de gaz et dans l'appareil calculateur, sont de l'ordre de grandeur d'une seconde et sont faibles comparati- vement à la durée de soufflage d'oxygène, qui est de 15 a 25 @ minutes.. Cependant, la prise d'échantillons de gaz représente un retard sensible.
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Comme les gaz brûles parcourent le système .d'évacuation des gaz et de purification de ceux-ci généralement en l'espace de sensiblement plus de 10 secondes, l'on en est réduit à se contenter d'un dispositif de prélèvement d'chantil- lons qui permet le prélèvement d'un gaz brûlé contenant de la poussière et de la vapeur d'eau, en amont du système de purifica- tion des gaz, aussi près que possible de la sortie du système d'évacuation des gaz ce dispositif ne détermine qu'un faible retard de l'analyse des gaz, malgré la nécessité d'avoir à procé- der à une purification séparée du gaz prélevé.
Le gaz brûlé, qui, la plupart du tenps, est chaud, est aspiré à l'aide d'une sonde qui traverse la paroi généralement refroidie du système d'évacuation des gaz, cette sonde étant constituée par exemple par un tuyau en un matériau résistant aux températures élevées, du par un tuyau refroidi. Le gaz chaud prélevé dégage rapidement sa chaleur sur les parois de la sonde du système d'évacuation, en raison de sa faible capacité calorifique, en sorte que la vapeur d'eau se condense facilement. Si la fraction de poussière du gaz brûlé est présente conjointement avec de l'humidité, les conduites d'alimentation et les filtres se bouchent au bout d'un temps bref et doivent être nettoyés ou changés.
C'est la raison pour laquelle l'on a déjà proposé d'éliminer tout d'abord la fraction de poussière à l'aide d'un filtre maintenu à une température supérieure à 100 C, puis l'humidité, par refroidissement du gaz et/ou à l'aide d'agents absorbants. La température élevée sur le filtre est obtenue, dans ce cas, soit par la chaleur propre du gaz brûlé, soit par un chauf- fage indépendant à l'aide de vapeur ou d'électricité.
Le volume d'un filtre, par exemple d'un filtre volumétrique , doit être supérieur au volume de la poussière qui se dépose pendant la durée du fonctionnement. Il faut aussi faire précéder un filtre de surface d'un espace vide, relativement
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grand. Les filtres connus jusqu'à présent pour l'utilisation durant des temps de service prolongés possèdent en conséquence un volume relativement important et déterminent de ce fait un retard de mesure dont l'importance est inacceptable dans la perspective d'utilisation précisée plus haut, sans garantir pour autant une sécurité de service suffisante.
La présente invention a pour but d'éliminer ces @ inconvénients et de pourvoir à un procédé ainsi qu'à un dispositif de prélèvement aussi instantané que possible d'échantillons de gaz brûlés chargés de poussière et éventuellement de vapeur d'eau, dans les procédés métallurgiques à déroulement rapide, en parti- culier dans les procédés de soufflage d'oxygène par le haut en vue de l'élaboration d'aciers*: suivant ce procédé, le gaz prélevé- est dépoussiéré avant d'être soumis @ l'analyse. En particulier, l'invention permet de réduire sensiblement le volume du filtre.
L'on atteint ce but, conformément à l'invention, en éliminant la poussière qui se dépose, durant le prélèvement d'échantillons, sur ou dans un filtre de surface ou volumétrique et dans l'espace de filtration du carter du filtre, pendant le service normal, en continu, soit en discontinu, pendant les in- tervalles entre les différentes phases du processus.
Le dispositif utilisé pour la mise enoeuvre du procédé de prélèvement d'échantillons de gaz brûlés, est réalisé de telle manière que le carter du filtre du dispositif de prélè- vement d'échantillons soit pourvu de deux cylindres à rotation en sens contraires qui servent à évacuer la poussière et éventuel- lement le filtre de surface, et dont la surface est constituée par un matériau élastique antidérapant vis-à-vis de la poussière, du caoutchouc ou de la matière plastique par exemple, ou bien des conduites d'alimentation sont montées sur le carter du filtre pour permettre l'admission d'un courant de gaz comprimé destiné à souffler la poussièreces conduites d'alimentation sont pour- vues de soupapes télécommandées, à commande pneumatique ou êlec- trique par exemple,
pour permettre l'inversion de l'aspiration
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du gaz échantillon en soufflage à l'aide du gaz comprima
Le dispositif gui sert à la mise en oeuvre du nouveau procédé est représente de façon schématique sous forme d'exemples de réalisation aux dessins, et en particulier :
La figure 1 est une coupe longitudinale prati- quée à travers un carter de filtre dans lequel la poussière est évacuée par des cylindres
La figure 2 est une vue latérale du mode de réa- lisation de la figure 1;
Les figures 3 et 4 sont des coupes longitudina- les pratiquées à travers un carter de filtre, danslequel le filtre de' surface est évacué en même temps que la poussière.
La figure 5 est une coupe longitudinale prati- quée à travers un carter de filtre d'où la poussière est évacuée par soufflage de gaz comprimé, et
La figure 6 est une vue latérale du mode de réalisation représenté à ln figure 5.
Le gaz échantillon est prélevé à l'endroit où il est bien mélangé et où il a fini de réagir, à sa sortie du système d'évacuation des gaz d'un convertisseur de soufflage d'oxy- gène par le haut, et le gaz échantillon est introduit dans un carter de filtre 1 pourvu d'un filtre 2, par l'intermédiaire d'une canalisation 3 d'alimentation en gaz.
Comme le montre la figure 1, le filtre de sur- face 2, constitué par exemple par une fritte de métal, de cérami- que contenant des oxydes ou par un filtre de tissu, est monté sensiblement verticalement dans le carter 1 du filtre. La cana- lisation d'alimentation et la canalisation d'évacuation du gaz échantillon ,raccordées toutes deux au carter 1 du filtre, sont désignées par les références 3 et 4 et sont disposées dans le plan médian. La poussière qui se dépose du coté de l'entrée des gaz du filtre de surface 2: est avantageusement détachée par un vibrateur 5 représenté de façon schématique, ou par un batteur et/ou par une brosse 6 commandée par un moteur électrique
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cette opération de détachage de la poussière est effectuée soit en continu soit à intervalles de temps déterminés.
En outre, comme le montre la figure 2, la brosse 6 est animée d'un mouvement de @ va et vient analogue à celui d'un essuie-glaces, autour d'un axe 7, par exemple, monté dans la partie supérieure du carter 1 du filtre. La poussière,conglomérée tombe à la partie inférieure d'où elle est évacuée par deux cylindres 8 étroitement pressés l'un contre l'autre et tournant en sens contraires. Les cylindres 8 comportent sur leur surface un revêtement élastique antidérapant vis-à-vis de la poussière, tel que du caoutchouc ou de la matière plastique par exemple, et sont avantageusement rendus étanches par rapport à l'espace intérieur du carter 1 du filtre, de maniè- re à ce qu'il ne puisse pas s'y introduire d'air.
La poussière est détachée du coté de sortie des cylindres 8, à l'aide des râ- cloirs 9, Le gaz échantillon purifié est introduit dans l'analy- seur non représenté, par l'intermédiaire de la canalisation d'é- vacuation 4. En variante de l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2, les canalisations d'alimentation et d'évacua- tion 3 et 4 du gaz échantillon peuvent avantageusement également être disposées excentriquement l'une par rapport à l'autre.
S'il se dépose en morne temps que la poussière, également de l'humidité contenue dans le gaz échantillon, l'on refroidit le filtre 3. une température de peu supérieure au point de congélation, à 5 C par exemple. Comme le montrent les figures 3 et 4, le filtre de surface 2, qui est par exemple un filtre en tissu, est entraîné de façon continue ou discontinue à travers le carter 1 du filtre, à l'aide de deux cylindres 10 qui tournent en sens opposés, ce qui a pour effet de faire évacuer la poussière déposée, conjointement avec le filtre de surface 2. La vitesse avec laquelle le filtre de surface 2 est remplacé est fonction de la quantité et du type de la poussière qui se dépose.
Pour éviter une altération des résultats d'analyse, dans un tel agen- cement, l'espace intérieur du carter 1 du filtre est également pourvu d'un dispositif d'étanchéité empêchant l'entrée d'air,
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tout particulièrement à l'entrée et à la sortie du filtre de sur- face 2 dans et hors du carter 1 du filtre. Pour donner l'humidité séparée du gaz échantillon par condensation, la possibilité de s'écouler vers le récipient de condensation monte à la suite, la canalisation d'évacuation 11 du gaz échantillon vers l'analyseur de gaz est avantageusement disposée à l'emplacement le plus profond, du cote du gaz purifié, du carter 1 du filtre.
Dans les figures 5 et 6, le carter 1 du filtre qui est représenté est tel que la poussière provenant du gaz échantillon qui s'y dépose est évacuée par soufflage de façon discontinue, à l'aide d'un courant de gaz comprimé introduit par l'intermédiaire d'une conduite d'admission 12. L'évacuation par soufflage est avantageusement réalisée à l'aide de poussées de gaz comprimé qui se succèdent rapidement. Ces poussées peuvent @ être multiples ou limitées à une se de et durer de 1 a 5 secondes, en sorte que le nettoyage du filtre 2 ne requiert qu'un temps bref. Le filtre de surface 2 est monte verticalement, cornue le montre la figure 5, mais il peut également Atre monté horizonta- lement.
Deux soupapes 13 et 14 sont montées dans la conduite d'éva- cuation 4, elles sont télécommandées électriquement ou par voie pneumatique et lorsque la soupape 13 est ouverte, alors que la soupape 14 est fermée , le gaz échantillon purifié est introduit dans Analyseur , non représenté,(direction d'écoulement a), ou bien, lorsque la soupape 13 est fermée et que 3a soupape 14 est ouverte, du gaz comprimé est insuffla dans le carter 1 du filtre (direction d'écoulement b) . Pour permettre l'élimination de la poussière, un gaz comprimé traverse le filtre de surface 2 dans la direction b, c'est-à-dire en sens contraire au gaz échan- tillon;
ce gaz comprimé détache les particules de poussière du filtre de surface 2 et les évacue avec la poussière qui s'est déposée avant le filtre, par exemple à travers la sonde de prélèvement d'échantillon, dans le courant principal de gaz brûlé, hors du carter 1 du filtre. L'on réalise une élimination pratiquement complète de la poussière du carter 1 du filtre en insufflant par exemple 30% du gaz comprimé à travers une
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conduite d'admission 15 qui débouche tangentiellement dans l'es- pace qui précède le filtre..
La poussière qui se dépose dans l'es- pace qui constitue le filtre, est affectée d'un mouvement tour- billonnaire du fait de l'insufflation du gaz comprimé par la conduite 15, et est évacuée pratiquement complètement avec le gaz comprime, même dans le cas où la conduite d'admission 3 du gaz échantillon dans le carter 1 du filtre est montée excentri- quement, par exemple à la partie supérieure , L'on utilise comme gaz comprimés des gaz inertes, par exemple de l'azote ou de l' anhydride carbonique, et dans certaines conditions également de l'air comprimé,
Les soupapes 13 t 14 sont actionnées manuelle- ment ou automatiquement lorc des interruptions du processus, ou en cas de pannes, dans le prélèvement d'échantillons, de telle manière que lorsque la soupape 13 est ouverte (direction d'écou- lement a),
la soupape 14 ferme le passage dans n'importe quelle position, et ce n'est que lorsque la soupape 13 est ouverte que la soupape 14 libère le passage a nourant de gaz comprimé dans les directions d'écoulement b et c.
Pour permettre à la poussière de mieux se déta- cher du filtre de surface 2, l'on peut également pourvoir le dispositifs de moyens mécaniques supplémentaires, par exemple un batteur, un vibrateur ou un dispositif d'essuyage, en va- riante de l'exemple de réalisation représentât De même, l'in- troduction par poussées du gaz comprimé peutaméliorer l'éli- mination de poussières, dans le cas d'un filtre monté sur res- sorts.
Dans le cas de types détermines de poussières qui se produisent par exemple dans le processus de soufflage d'oxygène par le haut sans combustion ultérieure des gaz brûles, de tels gaz pouvant apparaître temporairement, le filtre de sur- face 2 peut s'user précocement, malgré les dispositions décrites, en sorte qu'il est nécessaire de régénérer le filtre à une ou à plusieurs reprises à la suite d'une période de soufflage, ou même
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pendant une période de souffla* .% En pareils cas, le filtre de surface 2 représente à la figure 5 peut avantageusement également être réalise sous la forme d'un filtre volumétrique dans lequel des cartouches de filtration sont entrainées à travers l'espace intérieur du carter 1 du filtre avantageusement à l'aide d'une alimetnation à courroie,
ou suivant le principe d'un revolver à tambour. Une fermeture etanche de l'espace intérieur du carter
1 du filtre est en outre avantageusement assurée par des garnitu- res hémisphériques qui sont soumises à la pression d'un ressort et sont desserrées lors du remplacement.
Comme les filtres 2 représentés aux figures 1 et
5 ne dépoussièrent et ne régénèrent de façon parfaite que la poussière sèche, lorsque le gaz brûlé contient temporairement ou constamment de la vapeur d'eau, le carter de filtre 1 et les conduites d'admission sont chauffés à une température supérieure a 100 C et l'eau est éliminéespar refroidissement, une fois la poussière éliminée.
Le dispositif qui fonctionne en mettant en oeu- vre le procédé conforme â la présente invention, est en service de façon parfaite et sans surveillance durant un temps de service de 24 heures, par exemple dans le.processus de soufflage d'oxy- gène par le haut en vue de l'élaboration d'acier. C'est pourquoi le filtre n'a à recueillir que la poussière qui se dépose durant une charge, tout en étant régénéré de façon discontinue, si bien qu'il peut être de dimensions relativement peu importantes ; dans les filtres qui fonctionnent en étant régénérés de façon continue, le volume ou la section du filtre 2 peut encore être réduit,