Brevet FR2099572A1 — publié le 19720317

La présente invention a pour objet un procédé pour mesurer le débit des gaz à la sortie du convertisseur à oxygène. On sait l'importance des mesures que l'on peut effectuer au cours du processus de conversion à des fins de contrôle. En fait, actuellement, l'instrument de contrôle qui s'est affiné auprès de diverses aciéries se base sur le système consistant à proportionner la charge effectuée en vue des objectifs à atteindre en fin de soufflage ; objectifs constitués par une température et un pourcentage en carbone bien déterminés. Cependant, on est en train de mettre au point des méthodes de contrôle basées sur des informations que l'on peut obtenir à partir de mesures effectuées le plus souvent de façon continue, pendant le soufflage d'oxygène dans le convertisseur (contrôle dynamique). Ci-après sont décrites les principales techniques de contrôle dynamique connues. Les mesures les plus utilisées ont pour but de déterminer la quantité de carbone éliminée du bain, en partant du relevé de la portée et de l'analyse des fumées produites pendant la conversion. Les tendances actuelles pour l'utilisation des données d'analyse et de portée des fumées sont principalement de trois types A - Carbométrie intégrale : selon ce système, on évalue la quantité de C éliminée du bain de métal pendant tout ou une partie du temps de soufflage. En indiquant par dc/dt la vitesse de décarburation, ciest-à-dire la quantité de C (Kg) qui est éliminée du bain pendant l'unité de temps et qui passe dans les fumées, on a où la signification des symboles adoptés est expliquée dans la table inscrite à la fin de la description. Ce type de carbométrie a été proposé pour la première fois par les techniciens de ltIRSID, Institut français pour les Recherches Sidérurgiques, pour effectuer un bilan complet duC-du début à la fin du soufflage. B - Carbométrie différentielle : cette utilisation des données d'analyse et de portée des fumées se fonde sur la relation expérimentale qui lie la vitesse de décarburation dc/dt au pourcentage en C du bain. L'étendue de validité de la relation linéaire est entre 0,05 et 0,20 % C. C - Bilan continu de l'oxygène : de la connaissance de la composition des gaz de sortie du convertisseur, on remonte à la quantité d'oxygène qui est utilisée pour la décarburation et, par conséquent, aussi à la quantité qui passe dans la scorie. Analyse des erreurs dans la carbométrie intégrale. La relation fondamentale de ce type de carbométrie est donnée par En se référant à l'arrêt, c'est-à-dire à l'instant où s'arrente le soufflage de 1'02. , et en admettant en première approximation que (CO + CO2) est constant et égal à 97 % on a Wo Co QF (CO + CO2) 1867 Wo Co - QF (CO - C02) C = = (3-1) Wa 1867 Wa 1867 Wa L'erreur maximum de la détermination de C1 au moyen de ()-1) peut être obtenue en dérivant (3-1) aux dérivées partielles en fonction de Wo, Wa, Co, QF et (CO + C02) et en divisant le premier et le second membre par C1.On obtient 1 erreur maximum relative de C1 1867 Wo Co #C1 = # Wo + # Wa + 1867 Wo Co - QF (CO + CO2) 1867 Wo Co QF (CO + CO2) + #Co + #QF + 1867 Wo Co - QF (CO + CO2) 1867 Wo Co - QF (CO + CO2) QF (CO + CO2) + c (CO + C02) ()-2) 1867 Wo CO - QF (CO + CO2) On considère une coulée expérimentale dont les données de fabrication intéressantes sont Wo = 154,2 t WA = 152 t Co = 4,40 % C1 = 0,96 après le ler arrêt C2 = 0,79 après le 2ème arrêt On calcule QF au moyen de la relation ()-1) Wo Co - C1 1867 Wa = # #. Wa (CO + CO2) En remplaçant les valeurs reportées et en se rappelant l'hypothèse faite sur la valeur du pourcentage total de CO et C02 : (CO + C02) = 97 % on a : QF = 10250 Nm@ On aclcule alors la valeur de @ C1 avec C1 = 0,96 #C1 = 4,46490 #Wo + # WA + 4,4690 # Co=3,6490 # QF + + 3,6490 #(CO + CO2) On suppose #Wo = 0,3249 #Wa = 1,9736 #Co = 9,3068 #QF = 10 #(CO + C02) = 5 Avec ces hypothèses, on obtient :: S C1 ^ 92,5130 donc pour C1 = 0,96 C1 - 0,297 % Ce résultat est même inférieur à celui que l'on obtient avec le seul modèle mathématique de calcul de la charge. On précise que les erreurs les plus importantes sont introduites, dans l'ordre : par l'analyse de la fonte (Co), par la mesure du débit (VF), et par l'analyse des gaz (CO + C02). - Analyse des erreurs pour le 2ème arrêt La coulée en examen a été ressoufflée et, après un ressoufflage de 330 Nm3, le C du bain a été de 0,79 %. En admettant que le poids du bain ne varie pas sensiblement pendant le soufflage et en indiquant par l'indice 1 les conditions initiales et par l'indice 2 les conditions finales, on a de la En effectuant les calculs, on obtient # C1 = 1,215 Wa + E Wa + 1,215 # Cl + 0,215 # QF + 0.215 # (CO + CO2) Si l'analyse du pourcentage en C au premier arrêt est effectuée avec un analyseur rapide Tectip (du type connu dans le commerce sous ce nom), on peut poser : 0,06 # C1= . 100 = 6,25 0,96 En outre, en posant # max Wa = 6 tonn. on a : # Wa = 3,9473 et en posant encore # QF = 10 (Co + CO2) = 5 on obtient E C2 = 19,3507 c'est-à-dire au niveau considéré de 0,76 % C de ha : # C2 # 0,05 Ce résultat pourrait être considéré plus que satisfaisant pour de hauts pourcentages en C à l'arret, ce qui suggère d'utiliser la carbométrie intégrale de la manière suivante arrêter le soufflage quand C # 1,0 %, prélever un échantillon à analyser rapidement avec l'analyseur rapide cité, puis, pour le ressoufflage utiliser la donnée de la carbométrie. - Analyse des erreurs de la carbométrie difrérentielle Dans les applications industrielles de la carbométrie différentelle, on admet en première approximation que dc --- = b C1 (4-1) dt naturellement, la prévision de C1 est d'autant meilleure que l'indétermination du coefficient b. est mineure. La précision avec laquelle on peut déterminer b est étroitement liée à la réalisation expérimentale de la mesure de vitesse de décarburation et du pourcentage en C du bain. En d'autres termes, la prévision du pourcentage C1 en phase d'exercice sera d'autant meilleure que la détermination en phase expérimentale de la relation (4-1) aura été plus soigneusement effectuée. la (4-1) peut s'écrire 1 dc 1 C1 = = VF (Co + CO2) (4-2) b dt b L'erreur maximum de C1 avec ce type de carbométrie est donnée par C = E b + # VF + # (CO + C02) (4-3) L'erreur de la détermination de b, (# b), est liée au coefficient de corrélation R de la relation suivante Les valeurs de R que l'on peut obtenir pour la (4-1) varient entre 0,2 et 0,7 et dépendent de l'efficience de la réalisation expéri dc mentale pour la mesure de ainsi que de la variabilité des dt conditions opératives. En admettant de pouvoir obtenir sur 100 coulées R = 0,40, on obtient de la (4-4) : b = 12,9. Pour calculer la valeur de cette erreur, la valeur de Sx a été estimée en fonction de l'étendue normale de variabilité de x, c'est-à-dire de C %. # (co + co2) = 3 Une valeur plus qu'acceptable pour l'erreur maximum absolue de C1 ; pour C1 = 0,06 est AC max = 0,015 % donc # C1 = 25 En substituant ces valeurs dans la (4-3), on peut obtenir ce qui devrait être l'erreur relative maximum de la mesure de débit des fumées VF = 25 - 12,9 - 5 = 9,1 Ces valeurs semblent assez congruentes avec les hypothèses émises en ce que la somme des erreurs relatives de la mesure de débit et des analyses est assez proche de l'erreur maximum de b sans la dépasser. Ci-après sont ensuite décrites les conditions d'installation pour la réalisation de la carbométrie. Des analyses des erreurs reportées ci-dessus, il semble qu'il suffirait de pouvoir mesurer la composition des gaz avec une erreur maximum de 3 % en ce qui concerne la somme CO + C02 et le débit des gaz avec une précision de 10 @ pour obtenir d'excellents résultats avec l'application de la carbométrie. I1 existe toutefois des difficultés si bien que, aujourd'hui encore, après environ 6 années, la carbométrie est loin de s'être affirmées. Ceci s' explique si l'on tient compte des difficultés d'installation que, dans les analyses précédentes, il n'a pas été possible de quantifier. Ci-après sont indiquées ces difficultés en se référant aux difficultés d'installation de certaines aciéries de la Demanderesse, dans lesquelles est toujours prévue une récupération de la chaleur sensible et de la chaleur de combustion des gaz sortants du convertisseur au moyen de chaudières à saturation (BABCO - WILCOX) et surchauffage de vapeur (WAAGNER - BIRO). Pour ces installations, la réalisation du système de contrôle décrit ci-dessus pourrait être effectuée selon les solutions suivantes 1 - Mesure de débit et analyse à la cheminée 2 - Mesure de débit à la cheminée et analyse en un point de la conduite des fumées le plus proche possible du con vertisseur 3 - Analyse des gaz à la goulotte et, en outre, analyse et mesure de débit à la cheminée. (Dans ce cas, il est né cessaire d'obtenir, à partir des données d'analyse et de débit à la cheminée, le débit des fumées à la sortie du convertisseur). Pour la solution de type (1), il existe les difficultés suivantes - Valeurs très élevées et variables du temps de réponse total: temps de transport - temps de conditionnement de l'échan- tillon - retard des analyseurs. Difficulté d'évaluation de l'apport en carbone de la part du combustible utilisé dans les chaudières produisant de la vapeur surchauffée. Altération de la composition des gaz par absorption du C02 de la part de l'eau de lavage des fumées et, en outre, à cause de la possibilité du mélange des fumées de provenan ces diverses en raison de la mauvaise tenue de la soupape de séparation des conduites des fumées des deux convertis seurs qui fonctionnent simultanément. La solution de type (2) qui pourrait être adoptée pour réduire les temps de réponse des analyses doit être soigneusement étudiée (à moins que l'on opère sur une installation de récupération sans combustion) de manière à éviter l'échantillonnage d'une veine non homogène à cause de la combustion en cours du CO et du CC2. La solution de type ()) peut être considérée comme la plus avantageuse en ce qu'elle permettrait de réduire tant le retard que l'im- précision des analyses. I1 se présenterait toutefois des problèmes en rephasant les données relatives à des phénomènes simultanés qui, avec le système compliqué de mesures préalablement supposé, se trouvent déphasées avec une entité loin d'être constante. On doit ajouter enfin que, si l'on voulait suivre la répartition de l'oxygène entre bain et scorie (technique de contrôle dynamique par bilan continu de I'oxygène), les exigences de réglage dans le temps de la réponse deviendraient plus pLessantesX Si l'on doit guider la répartition de l'oxygène avec des interventions efficaces, il est évident que même une inertie de l'tordre de 15 secondes peut devenir excessive. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités ci-dessus pour déterminer le débit des fumées. Etant donné que, d'après la discussion précédente des méthodes connues décrites dans l'introduction, il apparat évident que les principales conditions des mesures de débit et d'analyse sont le réglage dans le temps et la précision, on a pensé à un procédé répondant à ces deux exigences. Le procédé selon l'invention pour mesurer le débit des gaz à la sortie d'un convertisseur à oxygène et, par conséquent, pour déterminer éventuellement la répartition de l'oxygène entre les diverses phases du système est caractérisé par le fait que, à l'o- xygène soufflé par la lance dans le convertisseur, on ajoute une quantité connue d'un autre gaz substanciellement absent tant dans l'oxygène que dans les composés qui participent à la réaction ; le procédé prévoit en outre la détermination de la concentration du dit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion au moyen de l'analyse des dits produits gazeux. Le procédé est caractérisé aussi par le fait que ce gaz additionnel est constitué par un ou plusieurs gaz nobles. Le procédé est encore caractérisé par le fait que ce gaz est ajouté à l'oxygène à insuffleer dans le convertisseur en quantités pondérables inférieures q 5 ffi . Le procédé est caractérisé en outre par le fait que l'adjonc- tion dudit gaz peut être effectuée soit pendant toute la période de soufflage soit pendant des parties de celui-ci, en particulier pendant la partie finale. Le procédé est caractérisé de plus par le fait que l'adjonction dudit gaz est limitée aux dernières minutes de soufflage pour les coulées à bas et moyen contenu en carbone. Le procédé est carctérisé d'autre part par le fait que l'adjonction dudit gaz, aux fins du contrôle du contenu en carbone, est limitée au ressoufflage programmé d'oxygène pour les coulées d'acier à haut et moyen contenu en carbone. Le procédé est caractérisé encore par le fait que la détermination de la concentration dudit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion est effectuée par prélèvement à la goulotte du convertisseur ou en d'autres points appropriés de la conduite des fumées. Le procédé est enfin caractérisé par le fait que la détermination de la concentration dudit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion est effectuée au moyen d'analyseurs de processus, en particulier : spectromètre de masse de manière à déterminer simultanément tant la composition que le débit du mélange de gaz sortant du convertisseur. En d'autres termes, le procédé revendiqué consiste à ajouter à l'oxygène soufflé par la lance une quantité connue d'un autre gaz non réactif et qui ne soit présent de façon appréciable ni dans l'oxygène ni dans les produits de réaction (Argon) et à en déterminer la concentration au moyen de l'analyse des produits gazeux de la conversion à la goulotte du convertisseur. On peut facilement obtenir le débit des fumées à partir de la relation suivante : qA VF 3 CA où qA = débit du gaz marquant en Nm3/min. CA = concentration du gaz marquant à la sortie de la goulotte du convertisseur. En se référant aux conditions d'installation d'une aciérie de 150 t > on peut effectuer cette adjonction de gaz dans la proportion de 1 % (mais on peut adopter des pourcentages encore plus bas) durant le soufflage des derniers 2000 Nm3 de 2 pour les coulées à basse et moyenne teneur en carbone et, dans le ressoufflage programmé, pour les coulées à haute teneur en carbone. De cette manière, il est possible d'obtenir tous les avantages de la carbométrie sans devoir affronter des solutions techniques compliquées pour obtenir ce réglage dans le temps de la ré ponse qui est la condition essentielle de succès. Les analyses peuvent être effectuées avec un spectromètre de masse et, étant donné qu a partir de l'analyse de l'échantillon on obtient dans ce cas tant la composition que le débit du gaz à la sortie du convertisseur, se trouve automatiquement résolu aussi le problème du déphasage des deux informations. Le eoût de ce système est relativement faible parce que, même avec un pourcentage de 1 % maximum, il s'agirait de dépenser en moyenne 20 Nm3 d'Argon par coulée. En effectuant selon l'invention la mesure de débit et d'analyse sur les gaz à la sortie de la goulotte du convertisseur, on peut obtenir une nouvelle situation en ce qui concerne le contrôle dynamique - Possibilité d'appliquer le procédé même à des aciéries avec combustion auxiliaire. - Majeures possibilités de contrôler la répartition de l'oxy- gène. - Possibilité d'utiliser la carbométrie appliquée à une analyse rapide du contenu en C du bain pour le contrôle des aciers dont la conversion est arrêtée quand la teneur en C est encore élevée. - Simplification du mode de contrôle pour les basses valeurs de C. Les résultats dépendent naturellement encore du degré de précision avec lequel la relation de base doit = bC se produit ou peut être obtenue. Table des symboles adoptés b coefficient angulaire Kg./min C concentration du carbone dans le bain Co concentration initiale du carbone C1 concentration % du carbone à la fin du soufflage C2 concentration du carbone au 2ème arrêt CA concentration % de l'Argon dans les fumées CO,C02 concentration volumétrique dans les fumées dc vitesse de décarburation Kg./min dt x max erreur maximum absolue x erreur maximum relative (. 100) K constante dimensionnelle = 186,7 Kg./Nm3 qA débit de l'Argon Nm3/min Q? volume total des gaz sortis du convertisseur par coulée Nm3 R coefficient de corrélation Sb ecart quadratique moyen de b ts temps de soufflage min VF débit des fumées Nm3/min Wa poids du bain -tonnes Wo@ poids de la fonte tonnes Bien que, pour des raisons de description, la présente invention ait été exposée d'après des dispositions particulières, celles-ci n'ont été données qu'à seul titre d'exemple et de nombreuses modifications et variantes pourront leur être apportées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer le débit des gaz à la sortie d'un convertisseur à oxygène et, par conséquent, pour déterminer éventuellement la répartition de l'oxygène entre les diverses phases du système, caractérisé par le fait que, à l'oxygène soufflé par la lance dans le convertisseur, on ajoute une quantité connue d'un autre gaz sensiblement absent tant dans l'oxygène que dans les composés qui participent à la réaction, ledit procédé comprenant en outre la détermination de la concentration dudit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion au moyen de l'analyse desdits produits gazeux. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz additionnel est constitué par un ou plusieurs gaz nobles. 3. Procédé, selon la revendication 1, carctérisé par le fait que le gaz est ajouté à 1' oxygène à insuffler dans le convertisseur en quantités pondérables inférieures à 5 %. 4. Procédé, selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'adjonction dudit gaz est effectuée soit pendant toute la période du soufflage soit pendant une partie de celui-ci en particulier pendant la partie finale. 5. Procédé, selon une quelconque des revendications 1, 2, ), 5, 4 > caractérisé par le fait que l'adjonction dudit gaz est limitée aux dernières minutes de soufflage pour les coulées à bas et moyen contenu en carbone. 6. Procédé, selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé par le fait que l'adjonction dudit gaz, aux fins de contrôle du contenu en carbone, est limitée au ressoufflage programmé d'oxygène pour les coulées d'acier à haut et moyens contenu en carbone. 7. Procédé, selon la revendicatioql, caractérisé par le fait que la détermination de la concentration dudit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion est effectuée par prélèvement à la goulotte du convertisseur ou en d'autres points appropriés de la conduite des fumées. 8. Procédé, selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la détermination de la concentration dudit gaz additionnel parmi les produits gazeux de la conversion est effectuée au moyen d'analyseurs de processus, en particulier : spectromètre de masse de manière à déterminer simultanément tant la composition que le débit du mélange de gaz sortant du convertisseur.