Brevet FR2063110A1 — publié le 19710709

La présente invention concerne des fours de fabrication d'acier à arc électrique, et plus particulièrement une méthode améliorée ainsi qu'un appareil pour le chargement en continu d'un four électrique avec du fer spongieux. L'un des problèmes, que llon rencontre dans le fonctionnement des fours à arc électrique, provient du fait que la température élevée.de l'arc provoque un rayonnement à haute température, qui, slil attaque le revêtement réfractaire du four, tend à entraîner une détérioration relativement rapide du réfractaire. On a fait de nombreuses propositions pour protéger contre ce rayonnement les revêtements réfractaires des fours à arc.Par exemple, dans le fonctionnement classique en discontinu de ces fours électriques, on peut réaliser une certaine protection en empilant des fractions non fondues du matériau de la charge contre les parois du four, et/ou en immergeant les extrémités intérieures des électrodes dans le matériau non fondu à l'intérieur du-four, Dans les dernières années, on s'est intéressé de plus en plus au fonctionnement semi-continu des fours électriques à alimention continue. Dans ce fonctionnement semi-continu, on réalise au départ un bain d'acier en fusion au fond du four, puis on charge ce dernier en alimentant en continu le matériau ferrifère sous la forme particulaire, par exemple fer spongieux, ainsi que les additifs de fabrication d'acier recherchés.On peut contrôler la température de fonctionnement du four er, faisant varier l'alimentation des électrodes ou le débit d'alimentation de la charge, ou les deux à la fois. Ce chargement en continu permet de faire fonctionner le four à une température d'affinage, par exemple 1426 à 15930C pendant l'opération de chargement. Ainsi, on peut réaliser en même temps les opérations de chargement, de fusion et d'affinage, ce qui permet ainsi de réduire le temps nécessaire pour une charge donnée. De même, on réduit habituellement l'énergie nécessaire par charge du fait de la durée de fonctionnement plus courte et également parce que le chauffage est bien plus uniforme avec 11 alimentation continue du matériau spongieux.Le brevet Britannique NO 1.104.690 décrit un fonctionnement en semi-continu de ce type ; il en est de même d'un document présenté par Sibakin et ses collaborateurs à la 75ème Conférence Générale de "l'American Iron and Steel Institute", Mai 1967. Dans ce fonctionnement en semi-continu, il n'est pas pratique d'utiliser les techniques ci-dessus relatives au fonctionnement en discontinu pour protéger les parois du four, étant donné que ces techniques dépendent de la présence dans le four de quantités importantes de matériau non fondu . Avec 11 alimentation en continu de matériau grifere particulaire , la quantité de matériau non fondu dans le four à un moment donné est relativement faible, et le contenu du four a un profil relativement plat, ctest-à-dire une surface supérieure pratiquement plane. Pour protéger les parois du four dans ces conditions, on a proposé la formation d'une scorie mousseuse pour envelopper les extrémités inférieures des électrodes.Bien que cette scorie mousseuse puisse inhiber le rayonnement direct de l'arc sur les parois du four, il ne réduit pas le rayonnement de la scorie elle-même sur les parois. De plus, le moussage de la scorie présente l'inconvénient d'augmenter le volume de scorie dans le four. L'invention a par conséquent pour objet une méthode pour protéger le revêtement réfractaire d'un four de fabrication d'acier à arc électrique au cours de l'alimentation en continu d'une charge de matériau farifère particulaire . L'invention a également pour objet une méthode pour prolonger la durée du revêtement réfractaire dans ces conditions, pour diminuer le temps improductif nécessaire aux réparations des revêtements endommagés, et pour réduire la chaleur perdue en raison des pertes résultant de l'arrêt du four pour les réparations. L'invention a enfin pour objet d'améliorer le endoeient thermique dans un four électrique à alimentation continue, ainsi qu'un appareil de chargement, particulièrement efficace pour la mise en oeuvre des méthodes décrites dans cet exposé.D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexes. Dans l'un de tes modes de mise en oeuvre les plus génér ux, l'invention consiste à créer et maintenir au-dessus du bain en fusion du four une atmosphère très opaque à la chaleur radiante émise par í l'arc et la face supérieure du bain. On a découvert que, si l'on incorpore dans la charge continue du four une certaine proportion de particules trds fines et si l'on introduit convenablement la charge dans le four, on obtient une suspensibn- dès fines particules dans l'atmosphère du four, suspension qui possède une forte opacité à la chaleur radiante .. Ainsi, on obtient une atmosphère poussiéreuse contrôlée dans le four pour inhiber la transmission de chaleur radiante de l'arc sur les parois du four. La composition chimique des particules utilisées pour former la suspension de poussières ne semble pas particulièrement critique. Ainsi, les particules peuvent être constituées par du fer spongieux très finement divisées, avec l'alternative de particules d'additifs, par exemple chaux, carbone ou oxyde de fer, que l'on utilise habituellement dans le procédé d'affinage dans le four. Comme facteurp,qui se sont avérés importants pour l'obtention d'une atmosphère de four a-att1'opacité recherchée, on peut citer la proportion de particules génératrices de suspension ou de poussières dans les matériaux envoyés dans le four, le grain des particules et le mode de chargement du matériau dans le four. En général, la charge doit contenir une proportion suffisante des très fines particules pour obtenir une suspension relativement dense dans l'atmosphère du four. Cependant, lorsque la concentration en particules de poussières s'élève, il arrive un moment od il ne se produit pas d'augmentation importante d'opaCité. De plus, si l'on utilise une trop forte proportion de matériau fin , on a des pertes excessives des particules fines, y compris le fer, par les ouvertures pratiquées dans le four, par exemple les ouvertures pratiquées dans la voûte, que traversent les électrodes. On a constaté que,dans la plupart des cas, la proportion de particules génératrices de poussières doit de préférence être comprise entre 5 et 25%, par rapport au poids total de la charge.Pour obtenir une suspension efficace des particules dans l'atmosphère du four, le grain des particules de poussière doit de préférence être inférieur à 140. Pour les raisons ci-dessus, on a avantage à contrôler soigneusemant la densité de la suspension dans l'atmosphère du four. Dans certains cas, le fer spongieux a envoyer dans le four peut déja contenir une quantité suffisante de particules suffisamment fines pour obtenir l'atmosphère opaque recherchée, alors que,dans d'autres cas, il peut être nécessaire de compléter les"fines" de fer spongieux avec des additifs finement divisés, tels que la chaux, le carbone ou l'oxyde de fer. De même, on peut augmenter la quantité de matériau fin en broyant un ou plusieurs constituants de la charge du four. On contrôle principalement la densité de l'atmosphère du four en réglant la quantité et la dimension des particules fines dans le mélange envoyé dans le four.Comme mentionné ci-dessous, on peut obtenir un contrôle secondaire en pulvérisant une quantité dosée d'eau sur le matériau de la charge, juste avant son entrée dans le four. Bien que l'on puisse, si nécessaire, charger séparément dans le four le fer spongieux et les additifs, on constate qu'il est préférable de mélanger au préalable le fer spongieux et les additifs avant de les introduire dans le four. Le mélange préalable avec des additifs/le fer spongieux permet d'obtenir une meilleure répartition des additifs dans le matériau ferrifère particulaire on réalise également un affinage plus efficace dans le four. Comme le montre plus en détail la description ci-dessous et les dessins, on a avantage à réaliser le chargement continu du four en injectant de force et latéralement les matériaux de la charge dans le four par une ouverture latérale, située bien au-dessus de la surface du bain en fusion dans le four. On constate que, par ce mode d'introduction de la charge, on obtient une suspension plus efficace des particules de poussière dans l'atmosphère du four que par exemple, dans le cas où l'alimentation s'effectue par gravité par la voûte du four. Dans les dessins La Figure 1 est une vue de côté d'un four à arc électrique, qui représEnte le four en coupe verticale et l'appareil pour l'alimentation en continu d'une charge dans le four. La Figure 2 est une vue sensiblement d'en haut de l'appareil de la Figure 1, qui représente le four en coupe horizontale. La Figure 3 est une vue de côté agrandie d'une partie du mécanisme d'alimentation de la Figure 1, qui représente en particulier le dispositif de projection centrifuge. La Figure 4 est une vue de côté d'un type modifié d'appareil d1 alimentation. Si l'on se réfère à la Figure 1 et plus particulièrement à sa partie inférieure droite, le numéro 10 désigne en général un four classique à arc électrique de fabrication d'acier, avec la sole 12, la paroi- latérale 14 et le dôme ou la voûte amovible 16; tous ces éléments sont revêtus de la manière habituelle d'un matériau réfractaire. La Figure représente également un bain d'acier en fusion 18, situé à la partie inférieure du four. Les électrodes 20 traversent le dCme ou la voûte 16 ; ces électrodes sont montée sur un support 22 relié au mécanisme habituel 24 de levée et de descente des électrodes. Les conducteurs 26 permettent d'alimenter ces électrodes. Le fer spongieux à utiliser pour le chargement arrive dans le voisinage du four par l'intermédiaire d'une grue 30, portant une benne 28, ayant un obturateur de décharge conique 29. Le fer spongieux tombe de la benne 28 dans la partie périphérique d'une trémie 32Jeeurface interne de la masse de fer spongieux dans la trémie 32 est indiquée par les lignes en pointillé 33. Le fer spongieux passe de la trémie 32 sur une bande transporteuse 36 par l'intermédiaire d'un régulateur de débit 34; la bande 36 est montée sur les poulies 38 et 40.Au cours de son déplacement ascendant sur la bande 36, le fer spongieux passe sous deux trémies 42 et 44, contenant des additifs, tels que la chaux, le carbone et analogues, qui sont nécessaires pour l'opération d'affinage selon le procédé de l'invention. I1 est évident que l'on peut utiliser, si nécessaire, davantage de trémies, bien que la Figure 1 n'en représente que deux. Les additifs des trémies 42 et 44 s'écoulent respectivement par les régulateurs 46 et 48 et les goulottes 50 et 52, et ils sont évacués sur la bande transporteuse 36, sur laquelle ils se mélangent au fer spongieux. Si l'on se réfère à la Figure 3 des dessins, la bande transporteuse 36 est entrainée par un moteur 54, un réducteur de vitesse 56 et une courroie de transmission 58 par l'intermédiaire de la poulie supérieure 40. Lorsque la bande transporteuse passe sur la poulie 40, le mélange de fer spongieux et d'additifs tombe dans une trémie 60, d'où il passe dans un dispositif de projection centrifuge, qui est en général désigné par le numéro 62. Le dispositif de projection centrifuge consiste en un bSti-support 64-, sur lequel sont montés deux poulies tournantes 66 et 68, sur lesquelles passe une bande transporteuse 70. La bande est entraînée par un moteur 72 et une courroie de transmission 74 par l'intermédiaire de la poulie 66.La partie supérieure centrale de la bande 70 a une forme encreurproduite par deux poulies folles 76 (dont une seule est représentée) ; ces poulies folles portent contre les bords latéraux de la bande, ce qui permet d'obtenir-um profil concave de la face supérieure de la bande ; il en résulte que la bande est sensiblement verticale au moment où elle quitte la poulie 66, et elle est sensiblement horizontale, lorsqu'elle s'approche de la poulie 68. Le mélange de fer spongieux et d'additifs provenant de la trémie 60 tombe sur la bande 70 entre les poulies 76. La bande transporteuse est entraînée à une vitesse linéaire élevée, par exemple 457 m à la minute, et la vitesse du fer spongieux, qui tombe sur la bande, devient rapidement égale à cette valeur. Ainsi, lorsque la bande passe sur la poulie 68, le mélange de fer spongieux et d'additifs est projeté de force et latéralement par l'ouverture 78, pratiquée dans la paroi latérale 14 du four. Si l'on se réfère à nouveau à la Figure 1, la trajectoire des matériaux de la charge, projetée par l'ouverture 78, est telle que la plupart de ces produits tombent dans l'espace délimité par les trois électrodes 20. Comme il est mentionné ci-dessus, du fait de la présence d'une proportion importante de matériau très fin dans la charge, il se forme une suspension de poussière fine dans le four au-dessus de la surface du bain 18. Cette suspension de poussière est très opaque à la chaleur radiante, et elle protège ainsi les parois latérales du four, ainsi que la partie inférieure de la voûte 16.Comme on l'indique ci-dessus, on constate que la projection latérale, à vitesse relativement élevée ,de la charge dans le four joue un rôle important pour l'obtention de la suspension recherchée des fines particules et la formation de 11 atmosphère opaque. De même, la projection latérale de la cherge favorise la répartition voulue da la charge dans le four, et il n'est pas nécessaire d'équiper la voûte 16 de tuyauteries de raccordement d'alimentation de la charge, qu'il faudrait débrancher au moment du retrait des électrodes et de l'enlèvement de la voûte pour accéder à l'intérieur du four. Comme le montre la Figure 3, il existe une tête de pulvérisation 8Q, qui est montée au-dessus de la poulie 40 ; il existe également une tête de pulvérisation semblable 82 au-dessus de la poulie 68. Ces têtes de pulvérisation sont disposées de manière à pulvériser de l'eau sur le mélange de fer spongieux et d'additifs,qui passe au-dessous d'elles. On constate que ces pulvérisations d'eau constituent un moyen utile pour régler rapidement la concentration de poussière dans l'atmosphère du four pour la maintenir à l'inté- rieur de l'intervalle recherché. La Figure 4 des dessins décrit une modification de l'appareil de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Dans cet appareil modifié, on fait passer le mélange de fer spongieux et d'additifs, qui tombe dans la trémie 60, dans un tube de mise en vitesse 86, par l'intermédiaire d'un tube d'évacuation vertical 84; le tube 86 est sensiblement horizontal, mais il présente une légère pente, et il se termine juste à l'intérieur de l'ouverture 78, pratiquée dans la paroi 14 du four. Dans la modification de la Figure 4, on injecte le matériau de la charge dans le four à l'aide d'un fluide sous pression, qui peut être par exemple du gaz, de l'air ou de la vapeur. Le fluide sous pression, provenant d'une source convenable 88, met en vitesse le matériau de la charge dans le tube 86 et le projette dans le four.Si nécessaire, le tube 86 peut être équipé d'une vanne d'impulsions 90, permettant d'obtenir un courant pulsé du fluide sous pression. De même, dans certains cas,on peut avoir avantage à refroidir l'extrémité d'évacuation du tube 86. Si ce refroidissement s'avère nécessaire ou avantageux, on peut le réaliser à l'aide d'une chemiee à refroidissement par eau 92, possédant une entrée 94 et une sortie 96. On doit noter que l'appareil de la Figure 4, comme celui de la Figure 3, fonctionne en projetant de force et latéralement dans le four le matériau d'alimentation. Pour mieux illustrer l'invention, on va décrire les résultats obtenus dans une série de 25 essais effectués dans un four électrique de capacité 73 tonnes. Le fer spongieux, utilisé dans ces essais, contient 7% environ en poids de matériau traversant un tamis de 140. L'analyse moyenne du fer spongieux est la suivante(en pourcentag * Fer métallique 69,16 Fer total 82,60 Métallisation 84,iO Carbone 2,08 Soufre 0,031 Phosphore 0,520 Gangue 10,87 La puissance absorbée maximum du four est de 17 mégawatts. Les températures ci-dessous sont les moyennes des 25 essais. Les températures des parois du four sont les moyennes de lectures effectuées en trois points espacés, situés sur une circonférence de la paroi interne du four, & mi-chemin environ entre la partie supérieure de la scorie et la voûte du four. On charge au départ le four avecw2,7tonnes de déchets, quel'on fait fondDeavec une puissance absorbée totale de 17 mégawatts pendant 100 minutes. Au bout de ce temps, la température du bain est de 15600C, et la température de la paroi de 138O0C. A ce stade, le bain d'acier en fusion dans le four a un profil de surface relativement plat, et la température de la paroi du four s'élèverait rapidement, n'était le fait que l'on a commencé le chargement en continu de manière à obtenir une atmosphère opaque dans lefour. On réalise le chargement en continu du fer spongieux- en utilisant la puissance absorbée totale et en alimentant lefour pendant 100 minutes avec 40 tonnes de fer spongieux de ca1ibre nominal' 50,8 mm, contenant 7% environ de matériau de grain inférieur à 140. Pendant la durée de chargement en continu, la température du bain en fusion diminue au départ, puis elle se stabilise, alors que la température de la paroi reste constante peu s'en faut; bien qu'elle augmente légèrement. Après 50 minutes de chargement en continu, la température du bain est de 15100 C, et la température de la paroi de 13950C, et ainsi on a un gradient de température de 1150C entre le bain en fusion et la paroi réfractaire.A la fin de la période de chargement en continu, la température du bain est de 15150C, et la température de la paroi de 14020C, ce qui donne ainsi un gradient de température de 1130C entre le bain en fusion et la paroi réfractaire. A la fin du chargement en continu -du fer spongieux, c'est-à dire 200 minutes après le début de l'essai, on fait fonctionner avec le four /la même puissance absorbée de 17 mégawatts pendant 13 minutes pour que le bain en fusion atteigne une température d'affinage de 15500C. -Pendant ces 13 minutes, la température de la paroi réfractaire s'élève de 1402 à 15050C. Ainsi, en l'absence d'une atmosphère opaque, il y a une différence de température de seulement 450C entre le bain et la paroi réfractaire. Dans ces essais, on maintient une atmosphère opaque dans le four pendant l'introduction d'une partie importante de la charge. Cependant, il n'est pas essentiel de maintenir l'atmosphère opaque dans le four pendant une fraction donnée quelconque de l'opération de chauffage. Par exemple, dans certains cas, on a avantage à charger le four à sa capacité nominale atec une technique classique de chargement e de fusion en discontinu, puis à effectuer une opération d'affinage avec une alimentation continue, capable de produire une atmosphère opaque et de mettre en oeuvre la puissance absorbée totale du four. Ce mode opératoire de "surcharge" augmente de façon importante la productivité du four. D'après la description précédente, il apparaît que l'invention permet de combiner la technique de chargement en continu d la production d'une atmosphère opaque, ce qui entraîne une amélioration dans le procédé de fabrication de l'acier. Comme on le voit, la protection des matériaux réfractaires est réalisée à l'aide d'une atmosphère opaque dans le four selon le procédé de l'invention ; et on obtient cette protection sans perte des avantages caractéristiques des procédés de chargement en continu, et à vrai dire, cette protection renforce les avantages du chargement en continu. Comme avantages, on peut citer par exemple la capacité d'affinage pendant au moins une partie du procédé de chargement, la facilité pour ajuster et amener à la valeur voulue les quantités de constituants, tels que le phosphore et le soufre, ainsi que l'accroissement de productivité du four, obtenu avec un four et une alimentation électrique donnés. Dans le procédé selon l'invention, on regle la répartition granulométrique des matériaux chargés, et on projette la charge dans le four électrique, de manière à produire un nuage de poussière constitué par les produits plus fins des matériaux de la charge, ce qui rend l'atmosphère au-dessus du bain en fusion opaque à la transmission de la chaleur radiante.Etant donné que l'accroissement de la concentration de particules à l'intérieur du four au-delà d'une certaine limite tend en entraîner des pertes excessives de matériau hors du four, ce qui peut soulever un problème de pollution d'air, et que cet accroissement de concentration n'augmente pas sensiblement davantage le contrôle de la chaleur radiante, le procédé selon l'invention permet de contrôler soigneusement la concentration de poussière dans l'atmosphère du four, à la fois par le contrôle initial de la composition du matériau de la charge et par le réglage des pulvérisations de contrôle, juste avant l'entrée de la charge dans le four. On doit noter que l'utilisation d'une atmosphère opaque, comme décrit dans cet exposé, non seulement diminue la détérioration des matériaux réfractaires de la paroi du four, mais également améliore le rendement thermique du four par la réduction de la transmission de l'énergie radiante sur les parois. Il bien entendu que le procédé selon l'invention peut être utilisé dans des fours autres que les fours à arc électrique, par exemple des fours Martin. REVENDICATIONS 1. Méthode de chargement d'un four pour la fabrication de l'acier, ladite méthode étant caractérisée en ce qu'on forme un bain d'acier en fusion au fond dudit four, et qu'on envoie, en alimentation continue, dans ledit four, pendant au moins une partie de son cycle de chauffage, une charge particulaire, qui peut être constituée par des particules ferrifères, des additifs pour la fabrication de l'acier, ou des combinaisons ou des mélanges de particules ferrifères et -d'additifs pour la fabrication de l'acier, ladite charge partioculaire contenant une proportion suffisante de particules assez fines pour former une suspension de poussières, qui rend l'atmosphère dudit four, au-dessus dudit bain fondu, suffisamment opaque pour réduire substantiellement le coefficient de transmission de l'énergie radiante dudit bain aux parois dudit four. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa mise en oeuvre s'effectue dans un four à arc électrique et qu'on fournit audit four de l'énergie électrique pour maintenir pratiquement ledit bain à une température d'affinage au cours de ladite opération de chàrgement én continu. 3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la charge particulaire consiste en fer spongieux avec ou sans additifs. 4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les particules génératrices de poussières constituent 5 à 25 % en poids de la charge. 5. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les particules génératrices de poussière ont un grain inférieur à 140. 6. Méthode selon 1 & ne des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que-l'injection de la charge particulaire s'effectue latéralement et de force par une ouverture latérale, pratiquée dans ledit four au-dessus du niveau dudit bain en fusion. 7. Méthode selon l-'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'injection de la charge s'effectue par un dispositif de projection centrifuge. 8, Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que 11 injection de la charge s'effectue à l'aide dtun jet d'air comprimé. 9. Appareil de mise en oeuvre de la méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste en un réservoir pour le fer spongieux, monté à côté dudit four au-dessus du niveau d'une ouverture de chargement, pratiquée dans la paroi latérale supérieure du four, et en un moyen de chargement, disposé de manière à recevoir le fer spongieux dudit réservoir et ayant une évacuation en alignement avec ladite ouverture, ledit moyen de chargement étant conçu et agencé pour mettre en vitesse le fer spongieux reçu dudit réservoir et le projeter de force sensiblement horizontalement dans ledit four par ladite ouverture. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de chargement comprend une bande transporteuse sans fin, entraînée par unimoteur à grande vitesse, comportant une face supérieure concave et disposée sous le réservoir pour en recevoir le fer spongieux, la face concave de ladite bande transporteuse se terminant par une partie sensiblement horizontale en face de ladite ouverture du four. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une tête de pulvérisation, située au niveau de l'extrémité d'évacuation de la partie horizontale, ladite tête de pulvérisation étant disposée de manière à pulvériser de l'eau sur le fer spongieux. 12. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen de chargement comprend un tube de mise en vitesse, disposé sous le réservoir pour en recevoir le fer spongieux, une source de fluide sous pression et une vanne régulatrice reliée audit tube afin d'y régler l'admission de fluide sous pression pour mettre en vitesse le fer spongieux à l'intérieur dudit tube, l'axe dudit tube de mise en vitesse étant quelque peu incliné par rapport à l'horizontale, et son orifice d'évacuation étant situé au niveau de ladite ouverture du four. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'ori est fice d'évacuation du tube de mise en vitesse/enveloppé par une chemise de refroidissement à l'eau.