Brevet FR2032433A1 — publié le 19701127

i 2032433 La présente invention se rapporte à un procédé d'affinage des fontes et, en particulier, des fontes riches en phosphore dans le convertisseur soufflé par le fond, suivant lequel de l'oxygène et de la chaux en poudre sont 5 soufflés au travers du fond de convertisseur. Les fontes riches en phosphore sont généralement affinées par le procédé LDAC sous scories riches en chaux, qui a été mis au point ces,derniers temps, ou par le procédé Thomas. 10 ' Dans le procédé LDAC, de l'oxygène pur et de la chaux en poudre sont soufflés par le haut, au moyen d'une lance, refroidie à l'eau, sur le bain composé de la fonte, des ferrailles et d'une partie de la quantité de chaux nécessaire pour le procédé. Lors de l'affinage il se forme très rapide-15 ment une scorie riche en oxyde ferreux et, partant, réactive à la déphosphoration, cette scorie permettant une avance de la déphosphoration par rapport au procédé Thomas et, par suite, une déphosphoration pendant la décarburation. Bien qu'il se substitue de. plus en plus au 20 procédé Thomas, le procédé LDAC présente un certain nombre d'inconvénients . Par exemple, l'oxygène est incorporé au bain indirectement, par la scorie, ce qui conduit à une haute teneur en oxyde ferreux dans la scorie et, par conséquent, à 25 de fortes pertes de fer et à une diminution de rendement. De plus, la forte teneur en fer de la scorie affecte ses qualités d'engrais. En outre, les scories riches en exyde ferreux ont tendance à mousser, c'est-à-dire que le déséqui-30 libre dû à la haute teneur en oxyde ferreux de la scorie et à la teneur relativement élevée en carbone dans le bain aboutit à des projections violentes de fer et de scorie. Un autre inconvénient important du procédé LDAC réside dans le fait qu'une teneur en phosphore suffisam-35 ment basse ne peut être obtenue qu'avec deux scories, ce qui nécessite l'interruption de l'affinage et le décrassage pour une tenôfcr de 0,7 à 1 % de carbone dans la coulée. La scorie 69 09754 2 2032433 de la première phase de soufflage renferme environ 10 % de fer et 20 % d'anhydride phosphorique pour une teneur d'environ 0,2 % de phosphore dans le bain. Pendant la seconde phase de ■ soufflage, la continuation de l'injection de chaux en poudre 5 s'accompagne de la formation d'une nouvelle scorie permettant d'abaisser la teneur en phosphore du bain à moins de 0,025 %. Cette dernière scorie reste dans le convertisseur pour la première phase de soufflage de la coulée suivante. la déphosphoration relativement peu satis-10 faisante obtenue par le procédé LDAC est due au fait qu'après décarburation, le bain n'est brassé que par le jet d'oxygène et que ce brassage est donc limité à une zone superficielle assez petite du bain. D'autre part, une quantité non négligeable 15 de fer est scorifiée au point incandescent du jet d'oxygène, ce qui diminue le rendement, et fait naître de grandes quantités de fumées rousses, qui sont indésirables. * Le procédé Thomas suivant lequel de l'air suroxygéné ou non est injecté dans la coulée par des tuyères 20 prévues dans le fond de convertisseur, présente sur le procédé LDAC des avantages et des inconvénients. Ses avantages consistent en ce que la proportion d'oxygène du vent soufflé oxyde le fer en aval des tuyères en donnant de l'oxyde ferreux qui,estant que convoyeur 25 d'oxygène à rendement élevé, élimine par voie d'oxydation les impuretés du fer dans l'ordre: silicium, manganèse, carbone, phosphore. Toute la coulée est ainsi traitée et énergiquement brassée par l'azote du vent. Les circuits de diffusion sont donc petits. 30 Cependant, la forte proportion d'azote du vent (au moins 60 %) a pour conséquence d'augmenter sensiblement la teneur en cet élément dans l'acier et de provoquer des déperditions de chaleur si importantes que le tonnage de ferrailles doit être réduit au minimum. L'augmentation de la 35 proportion d'oxygène du vent (40 %) ne saurait être envisagée, car elle conduirait à dégager une grande quantité de fumées rousses et à produire une usure rapide du fond de convertisseur; que ce fond soit ou non garni de tubes en cuivre. Un autre inconvénient du procédé Thomas 69 09754 3 2032433 consiste enJce que l'oxydation du phosphore commence seulement en fin de décarburation. C'est pourquoi de nombreux essais ont déjà été entrepris pour avancer la déphosphoration, c'est-à-dire pour la dérouler en même temps que la décarburation. C'est 5 ainsi qu'un jet d'oxygène chargé de chaux en poudre a été introduit dans un convertisseur expérimental d'une capacité de 50 kg par une tuyère refroidie à l'eau et insérée dans une plaque en cuivre refroidie également à l'eau. Ces essais ont mis en évidence, il est vrai, l'efficacité de l'insufflation 10 de chaux qn ce qui concerne l'avance de la déphosphoration. Mais cette méthode ne saurait être appliquée à la fabrication industrielle de l'acier, car le refroidissement à l'eau occasionne de grands risques et l'oxygène pur dégage une quantité énorme de fumées rousses. 15 Par ailleurs, la chaux en poudre n'a pas encore été uniformément répartie sur toutes les tuyères du fond de convertisseur, si bien que le procédé Thomas a été limité jusqu'ici â l'emploi d'un vent enrichi en oxygène et à l'addition usuelle de chaux par le bec de la cornue. 20 Le but de la présente invention est de ré aliser un procédé d'affinage des fontes phosphoreuses et, en particulier, des fontes très phosphoreuses, suivant lequel de l'oxygène pur et de la chaux en poudre sont injectés dans la coulée par le fond de convertisseur et dans lequel la déphos-25 phoration se déroule en même temps que la décarburation, pour une faible quantité de fumées rousses, la scorie à haute teneur en anhydride phosphorique soluble pouvant être employée comme engrais. Ce résultat est atteint par le fait qu'au 30 moins un jet d'un mélange d'oxygène et de chaux en poudre, entouré d'un voile de gaz protecteur et de préférence d'un gaz peu réactif ou inerte, est soufflé par le bas dans le bain de fonte. Ledit jet a pour effet d'atténuer la réaction de l'oxygène avec la coulée, de protéger les tuyères et le 35 fond de convertisseur contre la scorification par l'oxygène et de réduire la quantité de fumées rousses au point qu'on peut s'abstenir de monter des installations dispendieuses d'épuration de gaz. Les avantages métallurgique.s du procédé 69 09754 4 2032433 conforme à la présente invention résultent de ce que, à la haute température de formation d'oxyde ferreux par l'oxygène injecté, la chaux forme avec cet oxyde une scorie fort réactive, qui monte finement dispersée à la surface du bain. 5 Le débit de gaz injecté étant relativement faible, la vitesse de montée de la scorie est si petite qu'une déphosphoration énergique a lieu dès le commencement de l'affinage. Grâce à la grande surface de réaction, à l'apport continuel de nouvelles particules de scorie du fond 10 de convertisseur à la surface du bain, ainsi qu'à la faible vitesse de montée de ces particules, la déphosphoration et la désuifuration sont si satisfaisantes que la première est pratiquement terminée en même temps que la décarburation, ainsi que l'ont fait apparaître les essais effectués avec des coulées 15 de fonte à 3,5 % de carbone et à 1,7 % de phosphore. La scorie obtenue lors de ces essais contient un pourcentage élevé d'anhydride phosphorique soluble, mais un faible pourcentage de fer. Le rendement du nouveau procédé est donc nettement supérieur à celui du procédé LDAC. ' 20 On a fait la constatation surprenante que l'avance de la déphosphoration peut être déterminée dans de larges limites par la granulométrie de la chaux. En effet, si l'on utilise par exemple de la chaux en grains plus petits que 1 mm, l'allure métallurgi-25 que de l'affinage selon le nouveau procédé est1 similaire à celle du procédé Thomas. Dans ce cas, la déphosphoration est minime pendant la décarburation et la combustion du phosphore a lieu seulement après élimination de la presque totalité du carbone. 30 II en est autrement lorsqu'on utilise de la chaux en grains plus petits que 0,1 mm. Dans ce cas, la déphosphoration est même plus rapide que la décarburation, si bien que des teneurs d'environ 0,030 % de phosphore dans la coulée peuvent être atteintes pour une teneur de 0 ,'5 % de car-35 bone. Le nouveau procédé permet donc de fabriquer des aciers à teneur en carbone assez élevée et à teneur en phosphore moyenne. Mais on peut aussi évacuer- la scorie riche 69 09754 5 2032433 en phosphore et viser-, avec une deuxième scorie, à des teneurs en phosphore extrêmement basses. Par suite, ce procédé permet de fabriquer les nuances d'aciers qui n'ont pu être préparées par le procédé de soufflage d'oxygène par le haut qu'avec les 5 fontes pauvres en phosphore. Du reste, si l'on utilise de la chaux en grains plus petits que 0,1 mm, il se produit outre la déphosphoration une désulfuration intense, ce qui constitue un fait surprenant. 10 ' Le procédé selon la présente invention n'est pas limité à l'affinage des fontes phosphoreuses. Il pourra, en effet, être appliqué à l'affinage des fontes d'affinage, des teneurs en phosphore et en soufre extrêmement basses pouvant être alors atteintes avec de petites quantités de 15 scorie. La consommation de chaux de cette technique est légèrement supérieure à la moitié de celle de la technique habituelle consistant à ajouter la chaux à la coulée par le haut. Comme gaz protecteur du jet de mélange oxygène-chaux en poudre on peut, avec avantage, employer de 20 l'hydrogène et des hydrocarbures, qui exercent un effet re-froidisseur à l'endroit de l'orifice de sortie des tuyères, protégeant ces dernières et le fond de convertisseur contre l'usure rapide. Le mélange oxygène-chaux en poudre et le 25 gaz protecteur peuvent être insufflés obliquement par rapport à la surface du bain afin de provoquer un mouvement de rotation de la fonte. Cela exige la disposition de tuyères inclinées permettant d'enlever convertisseur incliné la scorie par soufflage d'un jet de gaz combustible exempt de chaux en poudre; Cette 30 variante du procédé donne entière satisfaction dans le cas où il s'agit d'évacuer la première scorie au bout des deux tiers environ du temps de soufflage et de continuer l'affinage avec une addition accrue de chaux en poudre afin d'obtenir des teneurs en phosphore extrêmement basses et de faibles pertes de 35 fer. On peut insuffler le mélange oxygène-chaux en poudre dans le convertisseur soxt par toutes les tuyères, soit par un certain nombre de tuyères, les autres étant ali- BAD ORJGJNAt >9 09754 2032433 mentées en oxygène pur entouré d'un voile de gaz protecteur pour éviter le dégagement de fumées rousses. Vers la fin de l'affinage on peut souffler avec un mélange de 10- à 20 % d'oxygène et de 80 à 90 % d'azote, 5 si des garnissages se sont formés sur les orifices de sortie des tuyères. Pendant l'affinage on peut injecter tous autres mélanges de gaz et de matières solides, telles que minerai, spath fluor, soude et "bauxite purs ou en mélange avec 10 de la chaux en poudre, afin d'influencer l'allure d'affinage. Un rendement particulièrement satisfaisant des substances scarifiantes enfournées est obtenu si ces substances et notamment la chaux sont uniformément réparties sur toutes les tuyères. ï.;.; 15 la quantité de scorifiants peut être"modi fiée au cours de l'affinage suivant les exigences du pro-eessus. Ainsi on a trouvé favorable d'augmenter l'addition de chaux vers la fin du soufflage. Le procédé selon l'invention est de-prsfê-20 rence mis en oeuvre à l'aide d'un convertisseur dans le fond duquel sont insérées une ou'plusieurs tuyères formées chacune d'un tube d'injection d'agents affinants entouré d'un tube d'injection de gaz protecteur. L'allure de soufflage est particulièrement 25 tranquille et pauvre en projections, si le diamètre du tube * 0 d'injection d'agents affinants est au plus égal au 35 de .la hauteur du bain, la pression effective de l'oxygène étant de 6 à 10 kg par cm et le Km d'oxygènë étant chargé de 1 à 2 kg de chaux. 30 La vitesse d'écoulement du courant d'oxy gène avec chaux en poudre est inférieur d'environ 30 % à celle du courant"d'oxygène sans chaux. Le ce fait, le débit d'oxy- * 3 2 gène avec chaux est d'environ 130"Em par heure et par cm de section de tuyère et le débit d'oxygène sans chaux est d'en- 3 - 2 35 viron 200 Em par heure et par cm , pour une pression de 8 kg 2 - par cm par exemple. Pour un convertisseur de 30 T.,. une hau-teur de bain de 0,70 m, une consommation spécifique de 60 Km - COP^ 09754 7 2032433 d'oxygène par tonne d'acier et un temps maximal de soufflage de 20 mn, le débit d'oxygène est de 5 400 Nm par heure. La section totale des tuyères nécessaires s'établit donc comme 2 suit: 5400 : 130^42 cm . Gomme le diamètre maximal des tuyères 5 est de 2 cm pour le bain d'une hauteur de 0,70 m, il faut 42 3 14 ^14 tuyeres. Suivant une caractéristique de l'invention, le mélange d'agents d'affinage est introduit dans le convertisseur par un récipient tronconique placé au-dessous du fond 10 de convertisseur' et dans lequel débouche tangentiellement une conduite d'arrivée d'agents affinants et d'où partent radiale-ment un ou des tubes d'injection d'agents affinants qui sont entourés de tubes d'injection de gaz protecteur. Une distribution très uniforme de la poudre 15 de chaux est obtenue dans le cas où le tuyau d'arrivée aboutit à la partie supérieure du récipient tronconique et où plusieurs tubes équidistants d'injection d'agents affinants partent de la partie inférieure de ce récipient. Suivant une autre caractéristique de l'in-20 vention, le nouveau procédé peut être mis en oeuvre au moyen d'un convertisseur au-dessous du fond duquel est disposé un récipient cylindrique compartimenté par une cloisûn horizontale perméable au gaz, au-dessus de laquelle débouche une conduite d'arrivée d'agents affinants et au-dessous de laquelle aboutit 25 une conduite d'arrivée d'oxygène, un ou de préférence plusieurs tube.s équidistants d'injection d'agents affinants partant ra-dialement au-dessus de cette cloison. Suivant une' autre caractéristique de l'invention, le mélange d'agents d'affinage peut être introduit 30 dans la cornue au moyen d'un distributeur plat, à section rectangulaire, disposé au-dessous du fond de convertisseur,, terminé du côté sortie par plusieurs canaux reliés chacun à un tuyau d'injection d'agents affinants et courbé dans un plan perpendiculaire au grand côté du rectangle. 35 Dans ledit distributeur pénètrent de pré férence des parois de séparation.équidistantes constituant les parois latérales de canaux écartés les uns des autres. Pour qu'il puisse être décrassé vers un 69 09754 8 2032433 côté et coulé vers l'autre côté, le convertisseur est de préférence agencé à la manière d'un corps de révolution symétrique par rapport à son axe longitudinal. Pour mieux faire comprendre l'objet de la 5 présente invention on va en décrire maintenant, à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif de sa portée, plusieurs formes de réalisation prises comme exemples et représentées au dessin ci-annexé, dans lequel: La figure 1 est une coupe longitudinale 10 axiale d'un convertisseur selon l'invention; La figure 2 est une vue de dessous de ce même convertisseur; La figure 3 est une coupe longitudinale axiale d'un autre convertisseur selon l'invention; 15 La figure 4 est une vue de dessous de ce même convertisseur; La figure 5 est une vue schématique d'un distributeur de poudre de 'chaux selon l'invention. Le convertisseur représenté sur les figures 20 1 et 2 est constitué d'une chemise en acier 8, d'un revêtement réfractaire 9 et d'un fond rapporté 12 reposant sur une plaque d'assise 11 solidarisée d'un récipient distributeur tronconique 13, dans la partie supérieure duquel débouche tangentielle-ment une conduite d'arrivée d'oxygène et de chaux en poudre 14. 25 De la partie inférieure du récipient 13 partent des tubes équidistants d'injection d'agents affinants 15, qui traversent le fond 12 et forment chacun une tuyère avec des tubes d'injection de gaz protecteur 16 qui les entourent . 30 Pendant la marche de l'appareil, le mélange oxygène-chaux est amené à grande vitesse, par la conduite d'arrivée 14, dans le récipient 13 où il se produit un tourbillonnement qui, par l'effet de la force centrifuge, projette les particules de chaux contre la paroi du récipient 13, sur 35 laquelle elles tournent à plusieurs reprises avant de passer avec l'oxygène à travers les tubes d'injection 15. De nombreuses coulées d'essai ont fait ressortir que la chaux en poudre est uniformément répartie sur 69 09754 9 2032433 toutes les tuyères, même pendant les variations d'amenée de la chaux. Au lieu de prévoir sur la plaque d'assise 11 le récipient distributeur tronconique 13, on peut disposer 5 sur cette plaque un récipient distributeur cylindrique 17 compartimenté par une cloison 18 en matière poreuse, perméable au gaz, suivant les figures 3 et 4. Dans la partie inférieure du récipient 17 débouche une conduite d'arrivée d'oxygène 19 et, dans la partie 10 supérieur^, une conduite d'arrivée de mélange oxygène-chaux 21. De la partie supérieure du récipient 17 partent des tubes équidistants d'injection d'agents affinants 22, qui forment tuyères avec des tubes d'injection de gaz protecteur 20 qui les entourent. 15 Pendant la marche, la conduite d'arrivée 21 amène dans la partie supérieure du récipient 17, à une vitesse relativement faible, la chaux en poudre véhiculée avec une petite quantité d'oxygène. L'appoint d'oxygène, exempt de chaux en poudre, est insufflé à haute pression dans la partie 20 inférieure du récipient 17, à travers la conduite d'arrivée 19. Il traverse la cloison poreuse 18, au-dessus de laquelle il se forme une couche fLuidisée, en sorte que la chaux en poudre est amenée de la partie supérieure du récipient 17 dans les tubes d'injection 22 et, de là, à la coulée, dans laquelle, elle est 25 disséminée finement et surtout uniformément. Le distributeur 23 représenté sur la figure 5 a une section plate rectangulaire. Il se termine du côté sortie par plusieurs canaux 24 raccordés chacun à un tube d'injection d'agents affinants (non représenté). 30 Ce distributeur 23 est courbé dans un plan perpendiculaire aux grands côtés 26 du rectangle, si bien que les particules de chaux entrant en 25 dans ce distributeur subissent à une vitesse d'écoulement suffisamment élevée une accélération centrifuge égale à un multiple de l'accélération 35 de la pesanteur. En conséquence, ces particules forment une couche uniforme sur la paroi extérieure 26. Cette couche est divisée en jets identiques par les parois latérales 27 des canaux 24. 69 09754 10 2032433 Par suite, la poudre en chaux peut être 'uniformément répartie sur toutes les tuyères du convertisseur, à l'aide du distributeur 23. Le procédé conforme à l'invention présente 5 un certain nombre d'avantages métallurgiques et obvie aux inconvénients essentiels^du procédé 'Thomas: dégagement d'une grande quantité de fumées rousses"et introduction d'une quantité élevée, d'azote dans la coulée, d'où pertes de calories et augmentation de la teneur en azote de l'acier. 10 D'autre part,. l'opération, est calme et son rendement élevé, les pertes de fer étant faibles dans la scorie et nulles dans les fumées rousses, à cause de l'absence de celles-ci dans le nouveau procédé. Enfin, les pertes de chaleur et les pertes 15 de chaux en poudre dans les fumées.sont, infimes par suite de l'absence d'un apport d'azote dans la coulée, si bien .que l'on peut opérer avec un tonnage accru de ferrailles, grâce à une utilisation parfaite de la chaux et, partant, à une bonne déphosphoration. ' CQP^ d9 09754 11 2032433 REVENDICATIONS T! La présente invention concerne: À - Un procédé d'affinage des fontes et, en particulier, des fontes riches en phosphore dans le con-5 vertisseur soufflé par lè fond, suivant lequel de l'oxygène et de la chaux en poudre sont soufflés au travers du fond de convertisseur, ledit procédé étant remarquable notamment en ce 'qui concerne les caractéristiques suivantes, considérées isolément ou en combinaison: 10 1° - Au moins un'jet d'un mélange d'oxygène et de chaux en poudre, entouré d'un voile de gaz protecteur, est soufflé dans le bain de fonte; . 2° - Comme gaz protecteur on utilise un gaz peu réactif ou inerte; 15 3° - Comme gaz protecteur on utilise de l'hydrogènetou des hydrocarbures; 4° - Le mélange oxygène-chaux et le gaz protecteur sont injectés obliquement par rapport à la surface du bain; 20 5° - On injecte des jets d'oxygène supplé mentaires entourés d'un gaz protecteur; 6° - La scorie est éliminée au convertisseur incliné par des jets de gaz- frappant obliquement la surface du bain; 25 7° - Vers la fin de l'affinage on souffle un peu de temps avec un mélange de 10 à 20 % d'oxygène et de 80 à 90 % d'azote; 8° - Pendant l'affinage on insuffle dans le -bain des mélanges d'oxygène et de matières solides, telles que 30 minerai, spath fluor, soude et bauxite; 9° - La granulométrie de la chaux est de 0,1 mm maximum; B - Un convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon A, constitué essentiellement d'une cuirasse 35 en tôle d'acier, d'un garnissage réfractaire et d'un fond ré-fractaire rapporté, ledit convertisseur étant caractérisé par les points suivants, pris séparément ou en combinaison: 69 09754 12 2032433 1 - La cornue est munie d'au moins une tuyère formée d'un tube â'injection d'agents affinants entouré d'un tube d'injection de gaz protecteur; 2° - Au-dessous du fond de convertisseur 5 est placé un récipient tronconique dans lequel débouche tangentiellement une conduite d'arrivée d'agents affinants et d'où partent radialement un ou des tubes d'injection d'agents affinants; 3° - Le tuyau d'arrivée aboutit à la partie 10 supérieure du récipient tronconique et plusieurs tubes équidistants d'injection d'agents affinants partent de la partie inférieure de ce récipient; 4° - Au-dessous du fond de convertisseur est disposé un récipient distributeur cylindrique compartimenté 15 par une cloison horizontale perméable au gaz, au-dessus de laquelle débouche une conduite d'arrivée d'agents affinants et au-dessous de laquelle aboutit une conduite d'arrivée d'oxygène, un ou plusieurs tubes d'injection d'agents affinants partant radialement au-dessus de cette cloison; 20 5° - Plusieurs tubes équidistants d'in jection d'agents affinants partent du récipient distributeur; 6° - Au-dessous du fond de convertisseur est disposé un distributeur plat, à section rectangulaire terminé du côté sortie par plusieurs canaux reliés chacun à un 25 tuyau d'injection d'agents affinants et courbé dans un plan perpendiculaire au grand côté du rectangle; 7° - Dans ledit distributeur pénètrent des parois de séparation équidistantes constituant les parois latérales de canaux écartés les uns des autres; 30 8° - Le convertisseur est agencé à la ma nière d'un corps de révolution symétrique par rapport à son axe longitudinal; 9° - Le diamètre des tubes d'injection d'agents affinants est au plus égal au 35 6 de la hauteur du 35 bain.