CA1111640A

CA1111640A - Cooled nozzle for blowing gases in a multen metal bath

Info

Publication number: CA1111640A
Application number: CA301,448A
Authority: CA
Inventors: Jean-Claude Grosjean; Hugues Zanetta
Original assignee: Creusot Loire SA
Current assignee: Creusot Loire SA
Priority date: 1977-04-20
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1981-11-03
Also published as: FR2388054B3; FR2388054A1; ZA782121B

Abstract

Procédé de refroidissement d'une lance pour l'insufflation de produits gazeux, dans un bain de métal liquide, caractérisé en ce que lors de l'insufflation des produits gazeux on injecte aussi un liquide de refroidissement dans un espace annulaire de faible dimension défini entre deux tubes coaxiaux formant ladite lance, ladite injection de liquide de refroidissement étant faite sans retour. Et une lance pour réaliser ce procédé.Method for cooling a lance for blowing gaseous products into a bath of liquid metal, characterized in that during blowing gaseous products, a coolant is also injected into a small annular space defined between two coaxial tubes forming said lance, said injection of coolant being made without return. And a spear to carry out this process.

Description

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Llinven-tion concerne UII procédé de refroidissement d'une lance pour l'insufflation de produits gazeux, contenant éventuellement en suspension des solides en poudre, dans un bain de metal liquide et une lance destinee au traitement du metal liquide au our electrique.
Au four electrique, les charges sont habituellement constituees principalement de ferrailles, quelquefois melangees a de la fonte; ce sont donc des produits assez fortement carbures ~
et il est necessaire de proceder àleur decarburation, ainsi ;
qu'a l'elimination, si nécessaire, d'élements indésirables tel que le phosphore. Ce traitement s'effectue par oxydation di-recte, généralement a l'aide d'oxygane sensiblement pur, con-tenant éventuellement des produits pulvérulents, par exemple de la chaux, insufles dans le bain metallique au moyen d'une lance immergee. Les lances utiliseesjusqu'ici sont, la plupart du temps, tenues par un opérateur et enfoncées dans le bain au fur et a mesure, afin de maintenir constante la hauteur immer-gee en,depit de l'usure. Les conditions regnant dans le four etant particuliarement agressives la durée de vie moyenne d'une lance est d'environ 3 mn et il faut donc. ~our assurer le trai-tement complet d'une charge, changer plusieurs fois de lance, habituellement 1,5 fois en moyenne. Pour les fours de puis-sance moyenne le temps de sejour de la charge est de l'ordre de 3 a 4 h et par conséquent, le temps d'insuf1ation compte tenu des changements de l~nce, est negligeable devant la duree totale des operations. Par contre avec les fours à tras haute puissance, qui ont tendance a se developper de plus en plus pour des raisons de productivite, le temps mis pour effectuer un changement de lance intervient dans la durée totale de sejour qui est generalement de moins de deux heures.

Le but de la presente invention est précisémment de fournir une lance pouvant assurer l'insufflation de gaz oxydant 69L(~ :`

pour le traitement de nombreuses charges sans subir d'usure importante.
Selon la présente invention il est prévu un procede de refroidissement d'une lance pour l'insufElation de produits gazeux, dans un bain de métal liquide, caractérisé en ce que lors de l'insufflation desdits produits gazeux on injecte aussi un liquide de refroidissement dans un espace annulaire de faible dimension défini entre deux tubes coaxiaux formant ladite lance, ladite injection de liquide de refroidissement etant faite sans retour.
Selon la presente invention, il est aussi prevu une lance pour l'insufflation de produits gazeux, contenant even-tuellement des produits solides pulvérulents en suspension, dans un bain de métal liquide, comportant un tube métallique interne constituant un passage pour le produit gazeux, un tube métallique concentrique exterieurement au precédent, caracté-risée en ce que les deux tubes coaxiaux définissent un espace -~
annulaire de très faible dimension a l'intérieur duquel est injecté un liquide de refroidissement, cet espace conduisant, sans retour, le liquide de refroidissement dans ledit bain.
Selon un mode de réalisation particulierement avan-tageux, le refroidissement est assuré par un gaz liquéfié, de préférence de l'anhydride carbonique liquide, ou par un hydrocarbure liquide comme le fuel, le butane, le propane, etc..
La lance de la présente demande est consommablej c'est-à-dire identique a elle-même sur toute sa longueur dans ses sections transversales successives. Elle est donc utili-sable sur toute sa longueur, avec une cartaine vitesse d'usure qui est acceptable en pratique grace a l'effet refroidissant du liquide protecteur périphérique.

Comme on le comprend, la différence essentielle entre les lances utilisées jusqu'ici et celle mise au point par le ; - 2 -,'~ ': ';, demandeur est la présence, dans cette derniare, d'un syst8me de refroidissement extrêmement efficace. La partie immerg~e..de la lance, froide, ne subit pratiquement pas d'usure par "~dissolu~
tion" dans le baln métalliquet contrairement aux lances cIass1 ques, le.mode d'usure prepodérant devient a.Lors l'atta~ue~du réfractaire par le laitier. Cependant, la portion de~lance immergée dans la couche de laitier est à une température xelati-.
vement basse, de l'ordre de 500 ~ 600~C, et meme l'usure par réaction avec le laitier n'est pas tres raplde, à~condition.~
d'employer un refractaire judicieusement choisi. La lance~selon. . ~.
l'invention, utillsée.de fa~on correcte, en évitant en partlcu-lier les rentrées de métal liquide à l'extrémite inférieure, peut.
donc assurer l'insufflation de gaz oxydant pour un kres grand .~` - .
nom~re de chargesL Elle permet par.conséquent.de.diminuer de .
facon sensible la durée globale de traitement de la charge..et d'accroItre ainsi de maniare non négligeable la productivite du four.
D'autre part, la longueur de la lance demeurant .. .. .. . _ . . . _ i ... _ .

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sensiblement cons-tante pendant toute la durée d'insufflation, il n'est plus nécessaire de l'enfoncer peu à peu dans le bain.
L'opérateur qui habituellement tenait la lance peut être remplacé
par un support, de conception mécanique relativement simple, qui -~
maintient la lance immergée à une profondeur prédéterminée. En outre, cette position constante de la lance assure des conditions régulières et reproductibles d'lnsufflation et, partant, des résultats métallurgiques réguliers sur le produit traité ainsi qu'une usure plus faible des réfractaires du four.
Le procédé selon l'invention permet donc de réaliser ;~
des économies appréciables sur les lances elles-mêmes, la main d'oeuvre chargée de la préparation et de l'opération des lances, ainsi que sur la réfection des réfractaires du four. De plus elle assure une augmentation de productivité de l'installation.
L'invention sera de toutes facons bien comprise en se reportant ~ la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple en référence à la planche de dessin annexée sur laquelle la figure unique représente une vue en coupe d'une lance selon l'invention.
Sur cette figure, on peut voir en 1 le tube central ; 20 de la lance à l'intérieur duquel passe le gaz oxydant, mélange ! ` d'oxygène sensiblement pur et de chaux en poudre dans l'exemple ~; considér~. Un second t`ube 2, coaxial extérieurement au tube 1, s'étend comme ce dernier sur toute la longueur de la lance. Entre les tubes 1 et 2 est ménagé un espace annulaire 3, débouchant ~`
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vers l'extérieur à l'extrémité immergée de la lance et par lequel est injecté le liquide de refroidissement, de l'anhydride carboni-~ ,, que liquéfié dans l'exemple considéré. Afin de maintenir un centrage parfait des deux tubes 1 et 2 et donc un écoulement régulier du liquide de refroidissement, il est particulièrement avantageux de prévoir soit des bossages internes disposés en quin-conce sur le tube 2, soit des cannelures ou des arêtes :Longitudi-nales sur la face extérieure du tube 1. Ces dispositions tout à

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fait classiques, n'ont pas été représentées, afin de conserver toute sa clarté à la figure. Enfin, l'ensemble des tubes est gainé extérieurement par un manchon réfractaire 4, ce dernier s'étendant sur une grande partie de la longueur de la lance, ;~
supérieure à la hauteur plongée dans le bain métallique.
Selon une variante d'exécution particulièrement avantageuse, l'extrémité immergée de la lance est renforcée à `~
l'aide d'un tube 5, extérieur au tube 2 et l'emboitant étroitement, qui confère à l'ensemble une plus grande rigidité.
Le manchon réfractaire peut notamment être réalisé par moulage autour des tubes 2 et 5. De préférence on emploiera pour sa fabrication un réfractaire de bonne qualité tel que l'alumine - ~
pure afin de minimiser les risques d'usure par réaction avec le -laitier.
Les exemples suivants, donnés à titre purement illus-tratif, permettront de mieux fixer les idées. Au cours d'une opéra-tion de décarburation, effectuée dans un four à arcs de 50 tonnes, ;~
on u-tilise une lance dont le tube interne, en cuivre, a un dia-mètre intérieur de 20 mm et un diamètre extérieur de 27,6 mm, le tube externe en acier, a un diamètre intérieur de 28 mm et un diamètre extérieur de 36 mm. L'ensemble est recouvert d'un manchon de béton alumineux de 80 mm de diamètre extérieur. Le tube interne porte sur sa surface extérieure des cannelures longitudinales dé-finissant avec la surface interne du tube extérieur un espace annulaire de 20/100 mm. La lance est introduite dans le bain métallique par la porte de travail du four à arcs. Afin d'abaisser la teneur en carbone de la charge de 1 % on insuffle pendant au moins 5 mn de l'oxygène sensiblement pur avec un débit de 10 m3/mn.
La pression de ce gaz, en tête de lance est d'environ 16 bars.
Dans un premier essai de refroidissement est assuré
par de l'anhydride carbonique liquéfié, injecté dans l'espace annulaire. Il faut employer environ 0,85 kg d~anhydride carbonique 6a~

"'"' :'.' liquide par heure et par mm de périmètre. La pression de ce fluide, en tête de lance est comprise entre 25 et 60 bars.
Au cours d'un deuxième essai, effectué avec une lance identique et dans les conditions semblables, le refroidissement est assuré par injection de fuel sous pression. Dans ce cas il faut utiliser 0,7 litres de fuel par minute. La vitesse de sortie du fuel est alors 7 m/s.
Dans les deux cas, on a constaté que la lance retirée ~ ;
du bain une fois la décarburation achevée n'avait pas subi de `
diminution sensible de longueur. ~, Bien entendu ces exemples sont donnés à titre nulle-ment limitatif et, dans chaque cas particulier, le spécialiste saura déterminer, les pressions et débits à employer, ainsi que les dimensions correspondantes des tubes.

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Llinven-tion concerns UII cooling process a lance for blowing gaseous products containing possibly in suspension of the powdered solids, in a liquid metal bath and a lance intended for the treatment of liquid metal to electric.
In an electric oven, the charges are usually consisting mainly of scrap metal, sometimes mixed has cast iron; these are therefore quite strongly carbide products ~
and it is necessary to proceed to their decarburization, as well;
that the elimination, if necessary, of undesirable elements such than phosphorus. This treatment is carried out by direct oxidation.
straight, usually using substantially pure oxygan, con-possibly holding powdery products, for example lime, blown into the metal bath by means of a submerged lance. The spears used so far are, for the most part of time, held by an operator and pushed into the bath gradually, in order to keep the immersion height constant gee en, despite wear and tear. The conditions prevailing in the oven being particularly aggressive the average lifespan of a lance is about 3 mins and so it takes. ~ to ensure the processing full charge, change the lance several times, usually 1.5 times on average. For power ovens average session the charge stays on the order of 3 to 4 hours and therefore the insufflation time counts given changes in lnce, is negligible before the duration total operations. On the other hand with very high ovens power, which tend to grow more and more for reasons of productivity, the time taken to complete a change of lance occurs in the total duration of stay which is generally less than two hours.

The purpose of the present invention is precisely to supply a lance capable of insufflating oxidizing gas 69L (~: `

for the treatment of many loads without being subject to wear important.
According to the present invention there is provided a method cooling of a lance for product insufElation gas, in a bath of liquid metal, characterized in that during the insufflation of said gaseous products is injected also coolant in an annular space of small dimension defined between two coaxial tubes forming said lance, said injection of coolant being made without return.
According to the present invention, there is also provided a lance for insufflation of gaseous products, containing even-powdery solid products in suspension, in a bath of liquid metal, comprising a metal tube internal constituting a passage for the gaseous product, a tube metallic concentrically outside the above, characteristic laughing at the fact that the two coaxial tubes define a space - ~
very small ring inside which is injected a coolant, this space leading, without return, the coolant in said bath.
According to a particularly advantageous embodiment tageux, cooling is ensured by a liquefied gas, preferably liquid carbon dioxide, or by a liquid hydrocarbon such as fuel, butane, propane, etc.
The spear of this request is consumablej that is to say identical to itself over its entire length in its successive cross sections. It is therefore useful sand over its entire length, with a wear rate which is acceptable in practice thanks to the cooling effect peripheral protective fluid.

As we understand, the essential difference between the nozzles used so far and the one developed by the ; - 2 -, '~': ';, applicant is the presence, in the latter, of a system of extremely efficient cooling. The immersed part of the lance, cold, practically not subjected to wear by "~ dissolved ~
tion "in the metal baln unlike the cIass1 lances ques, the preponderant wear mode becomes a.When the attack ~ eu ~
refractory by the slag. However, the portion of ~ spear immersed in the slag layer is at a temperature xelati-.
vement low, of the order of 500 ~ 600 ~ C, and even wear by reaction with the slag is not very rapid, provided ~.
to employ a judiciously chosen refractory. The lance ~ according to. . ~.
the invention, utillsée.de fa ~ on correct, avoiding in partlcu-link the liquid metal receipts to the lower end, can.
therefore ensure the insufflation of oxidizing gas for a large kres. ~ `-.
nom ~ re de chargesL It allows par.conséquent.de.duire de.
significantly the overall duration of treatment of the load..and thus significantly increase productivity from the oven.
On the other hand, the length of the lance remaining .. .. ... _. . . _ i ... _ .

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substantially constant throughout the duration of insufflation, it it is no longer necessary to push it little by little into the bath.
The operator who usually held the lance can be replaced by a support, of relatively simple mechanical design, which - ~
keeps the lance submerged at a predetermined depth. In in addition, this constant position of the lance ensures conditions regular and reproducible of inflation and hence regular metallurgical results on the product treated as well than a lower wear of the refractories of the furnace.
The method according to the invention therefore makes it possible to carry out; ~
significant savings on the spears themselves, hand of work charged with the preparation and the operation of the spears, as well as on the repair of refractory furnaces. Furthermore it increases the productivity of the installation.
The invention will in any case be well understood by reporting ~ the description which follows, given by way of example with reference to the attached drawing board on which the figure single represents a sectional view of a lance according to the invention.
In this figure, we can see in 1 the central tube ; 20 of the lance inside which the oxidizing gas passes, mixing ! `substantially pure oxygen and powdered lime in the example ~; consider ~. A second tube 2, coaxial outside the tube 1, extends like the latter over the entire length of the lance. Between tubes 1 and 2 is formed an annular space 3, opening ~ `
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outward at the submerged end of the lance and through which coolant, carbon dioxide is injected ~ ,, than liquefied in the example considered. In order to maintain a perfect centering of the two tubes 1 and 2 and therefore a flow regular coolant it is particularly advantageous to provide either internal bosses arranged in fifteen designed on tube 2, either grooves or edges: Longitudi-nales on the outer face of the tube 1. These arrangements quite ::.

classic facts, have not been represented, in order to keep all its clarity in the figure. Finally, all of the tubes are sheathed externally by a refractory sleeve 4, the latter extending over a large part of the length of the lance,; ~
greater than the height immersed in the metal bath.
According to a particularly variant embodiment advantageous, the submerged end of the lance is reinforced to `~
using a tube 5, outside the tube 2 and fitting it tightly, which gives the whole a greater rigidity.
The refractory sleeve can in particular be produced by molding around tubes 2 and 5. Preferably we will use for its manufacture a good quality refractory such as alumina - ~
pure in order to minimize the risk of wear by reaction with the -dairy.
The following examples, given purely illus-trative, will better fix the ideas. During an operation-decarburization tion, carried out in a 50-ton arc furnace,; ~
we use a lance whose internal copper tube has a diameter inner meter of 20 mm and an outer diameter of 27.6 mm, the external steel tube, has an internal diameter of 28 mm and a outer diameter of 36 mm. The whole is covered with a sleeve of aluminous concrete with an outside diameter of 80 mm. The inner tube has longitudinal grooves on its outer surface ending with the inner surface of the outer tube a space 20/100 mm ring. The lance is introduced into the bath metal through the working door of the arc furnace. In order to lower the carbon content of the charge of 1% is blown during minus 5 minutes of substantially pure oxygen with a flow rate of 10 m3 / min.
The pressure of this gas at the head of the lance is approximately 16 bars.
In a first cooling test is ensured with liquefied carbon dioxide, injected into space annular. About 0.85 kg of carbon dioxide must be used 6a ~

"'"': '.' liquid per hour and per mm of perimeter. The pressure of this fluid, at the head of the lance is between 25 and 60 bars.
During a second test, carried out with a lance identical and under similar conditions, cooling is provided by injection of fuel under pressure. In this case it is necessary use 0.7 liters of fuel per minute. The output speed of the fuel is then 7 m / s.
In both cases, it was found that the lance removed ~;
bath once decarburization was complete had not undergone `
significant decrease in length. ~, Of course these examples are given on a purely null basis-limitative and, in each particular case, the specialist will be able to determine, the pressures and flow rates to be used, as well as the corresponding dimensions of the tubes.

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Claims

The embodiments of the invention, about which an exclusive right of property or privilege is claimed are defined as follows:

1. Method of cooling a lance for the sufflation of gaseous products in a bath of liquid metal, characterized in that during the blowing of said products gaseous a coolant is also injected into a small annular space defined between two tubes coaxial forming said lance, said injection of liquid cooling being done without return.

2. Method according to claim 1, characterized in what the coolant is a liquefied gas.

3. Method according to claim 2, characterized in that the coolant is anhydride carbonic liquified.

4. Method according to claim 1 characterized in what the coolant is a hydrocarbon li-what.

5. Method according to claim 3 characterized in what the coolant is from fuel oil.

6. Process according to claim 1, characterized by reinforcing the submerged end of the lance using of a tube.

7. Method according to claim 6, characterized in that all of said two tubes are sheathed by a sleeve refractory.

8. Method according to claim 7, characterized in that said refractory sleeve is produced by molding around all of said two tubes and said return tube necessarily.

9. Lance for blowing gaseous products, possibly containing powdery solid products in suspension, in a bath of liquid metal, comprising a tube internal metal constituting a passage for the gaseous product, a metal tube concentric outside the previous one, characterized in that the two coaxial tubes define a very small annular space inside which a coolant is injected, this space leading, without return the coolant in said bath.

10. Lance according to claim 9, characterized in what this lance has an end immersed in the bath which is reinforced with a reinforcing tube, provided around and tightly fitting the outer tube.

11. Lance according to claim 10, characterized in that all the internal and external tubes are sheathed externally by a refractory sleeve which extends over a large part of the length of the lance, greater than the height immersed in said bath.

12. Lance according to claim 11, characterized in that the refractory sleeve is produced by molding around the outer tube and the reinforcement tube.

13. Lance according to claim 9, characterized in what it is consumable.