Brevet FR2122479A1 — publié le 19720901

La présente invention est relative à des perfectionnements aux convertisseurs convenant spécialement pour la conversion de fonte en acier et à des procédés d'utilisation de ces convertisseurs. Si l'invention est applicable aux convertisseurs quelle que soit leur capacité, elle est particulièrement avantageuse dans le cas des engins de grandes dimensions. Dans les procédés d'affinage de fonte par insufflation d'air par le fond du vonvertisseur, un des problèmes technologiques pour lequel une solution satisfaisante a été spécialement difficile à élaborer, est sans conteste celui de la conception et de la mise en place de fonds troués d'une durée de vie suffisamment longue. Ces fonds étant munis d'un grand nombre de conduits cylindriques pour le passage du fluide d'affinage, nécessitent une cuisson préalable pour éviter leur effondrement lors de la mise en service.On peut toutefois considérer qu'en ce qui concerne le procédé Thomas, aussi bien qu'en ce qui concerne le procédé oxygène-vapeur, les fonds troués actuellement utilisés, peuvent être regardés comme donnant satisfaction à ces points de vue , tout au moins relativement aux convertisseurs dont la capacité ne dépasse pas 50 tonnes. Il n'en est cependant plus de même pour les convertisseurs à fond plein dont les capacités sont beaucoup plus grandes, par exemple de l'ordre de 150 à 300 tonnes. Pour ceux-ci en effet, le problème de la conception d'un fond dont les qualités sont sensiblement les memes que celles d'un fond de convertisseur d'une capacité de l'ordre de 50 tonnes, se heurte à des difficultés technologiques considérablement accrues, notamment à cause des grandes dimensions des fonds. A titre indicatif, pour un convertisseur d'une capacité de 150 tonnes, l'obtention d'une compacité déterminée du fond, ainsi que sa cuisson, sont deux problèmes particulièrement ardus à résoudre, pour lesquels, à la connaissance du demandeur, aucune solution nta jusqu'à présent été trouvée.Ce fait a stoppé le développement du procédé Thomas et on est passé au procédé de soufflage par le haut qui ne nécessite plus la réalisation et la cuisson de fonds troués et évite ainsi les problèmes cités ci-devant. Les procédés de conversion de la fonte en acier dans lesquels le gaz raffinage est insufflé par le fond des -convertisseurs sont toutefois l'objet d'un regain d'intérêt grâce à la possibilité récemment mise au point d'utiliser de l'oxygène pur coite gaz oxydant. On sait en effet que le problème de l'injection par le fond ou à la partie inférieure des parois du convertisseur, sous forme d'oxygène techniquement pur, de la quantité de gaz oxydant nécessaire à l'affinage d'un bain de fonte a fait récenent l'objet de travaux qui apportent une solution satisfaisante au problème de la longévité des réfractaires. Dans les techniques ainsi mises au point, les injections se font au moyen de tuyères qui sont constituées de deux tubes coaxiaux, le tube central étant destiné à loxygène, le tube périphérique étant destiné à un fluide, gazeux ou liquides, de protection. Jusqu'à présent toutefois, le procédé d'affinage avec soufflage par le fond d'oxygène pur, a été mise en oeuvre essentiellement dans des convertisseurs de petites dimensions ; le problème de la fabrication des fonds de grandes dimensions reste à résoudre. La présente invention a précisément pour objet un type de convertisseur qui, muni d'une partie inférieure appropriée, permet de réduire les inconvénients de la réalisation et de la cuisson d'ensembles troués de grand diamètre. Dans un tel convertisseur, la partie inférieure est constituée essentiellement d'un revêtement en maçonnerie réfractaire et d'une carcasse métallique analogue à ce qui constitue le bec et le haut des parois latérales du convertisseur. Le fond proprement dit ne se distingue donc plus des parois au point de vue constructif, en sorte que ce qui est appelé ci-dessous "paroi inférieure" comporte en fait le fond prqrement dit mais aussi la partie inférieure des parois latérales en-dessous dù niveau supérieur habituel du bain. Dans cette paroi inférieure, on ménage une ou plusieurs cavités de dimensions appropriées, dans lesquelles sont placés des "bouchons" constitués à la manière de fonds troués de petites dimensions, fonds de préférence déjà damés ou vibrés, cuits et munis chacun d'une ou plusieurs tuyères. Grâce à ces petites dimensions, ces bouchons peuvent être aisément préparés et mis en place dans les cavités pratiquées dans la paroi inférieure des convertisseurs (par "petites dimensions", il faut comprendre que les bouchons peuvent avoir des dimensions transversales allant jusqu'à 3 m pour des gros convertisseurs).De cette façon, les convertisseurs d'acié rie échappent aux inconvénients cités ci-dessus ; par ailleurs, le problème du remplacement des "bouchons" est assez simple à résoudre, de meme que celui de la préparation et du stockage de bouchons préfabriqués et immédiatement disponibles. Le convertisseur suivant l'invention se révèle particulièrement utile lorsque l'on utilise une seule tuyère de soufflage. La solidarisation des bouchons avec la maçonnerie environnante peut être effectuée par tout moyen connu en soi. En fonction des encombrements disponibles, les bouchons peuvent présenter une section transversale, circulaire, rectangulaire, carrée, oblongue, ou toute autre forme appropriée. Le schéma donné, à titre purement indicatif et sans aucun caractère de limitation, aux figures 1 et 2 ci-après permet de comprendre comment peut se concevoir un premier type de convertisseur conforme à ceux faisant l'objet de la présente invention. Il est bien entendu qu'il existe de nombreuses dispositions possibles des "bouchons" dans la paroi inférieure du convertisseur on peut par exemple utiliser 2 bouchons circulaires voisins. Le convertisseur représenté en coupe verticale à la figure 1 comporte une carcasse latérale 1 entourant un revêtement en réfractaire 2. Cette carcasse se prolonge jusque sous le convertisseur en 3, dont il constitue une partie importante. Le revêtement réfractaire 2 est également prolongé en 4 à la base du convertisseur. Seule une cavité 5 est pratiquée dans la paroi inférieure, cavité dont les dimensions sont nettement inférieures à celles d'un fond usuel de convertisseur (ligne interrompue 6). Cette cavité est remplie au moyen d'un bouchon 7, pourvu d'un certain nombre de tuyères 8 appropriées pour l'insuffation d'oxygène dans le bain de métal. Par tuyères appropriées pour le soufflage de l'oxygène à l'intérieur du convertisseur, il faut comprendre des tuyères pouvant être constituées de deux tubes coaxiaux, le tube central étant destiné à ltoxygène, le tube périphérique à un fluide quelconque de protection. Il ne sort pas du cadre de l'invention de prévoir de semblables bouchons en différents endroits de la partie inférieure des convertisseurs, ce qui permettra d'accroire dans des proportions importantes, le taux d'insufflation de l'oxygène dans le bain, sans encourir les inconvénients déjà cités. Les convertisseurs peuvent comporter des bouchons soit seulement dans le fond proprement dit, ou dans la paroi latérale ou dans le fond et les parois latérales. Il est d'ailleurs à remarquer que cette disposition des tuyères de soufflage à la fois dans le fond proprement dit et dans la paroi latérale ,assure l'obtention de résultats métallurgiques intéressants, particulièrement dans le cas où les convertisseurs sont de grandes dimensions. En effet, et c'est là un fait bien connu des aciérietes, les procédés d'affinage de fonte par insufflation d'oxygène pur par le fond, ont jusqu'8 présent, difficilement permis d'arriver à un contrôle réel de l'évolution de la composition de la scorie au cours de l'affinage.On sait en effet que ce contrôle est lié à la possibilité de maîtriser le moussage de la scorie, la vitesse de décarburation et la répartition de l'oxygène insufflé entre le bain d'une part, et la scorie d'autre part. Or, dans les procédés d'affinage de fonte par insufflation d'oxygène pur par le fond, on ne dispose que d'une seule variable d'action, le débit d'oxygène dont, par la nature des choses, les variations ne peuvent avoir qu'une influence très limitée sur le comportement de la scorie.Dans le cas des convertisseurs de grande capacité, il va sans dire que le contrôle est d'autant plus difficile. Toutefois, grâce aux possibilités offertes par l'emploi des "bouchons" décrits dans la présente invention, on peut, dans une large mesure, réduire les inconvénients cités ci-dessus. Pour atteindre ce but, on utilise un convertisseur dans lequel on combine de façon judicieuse une insufflation d'oxygène pur par le fond proprement dit avec en insufflation latérale de préférence également d'oxygène pur, de façon d'une part à augmenter l'étendue possible des variations utiles du débit d'oxygène, et d'autre part de faciliter l'oxydation de la scorie par l'oxygène insufflé. Un exemple non limitatif d'affinage de fonte hématite dans un convertisseur équipé de tuyères pour le soufflage par le fond aussi bien que latéral, permettra de comprendre comment le procédé peut être mise en eeuvre. Au début de l'affinage, 1' insufflation d'oxygène se fait quasi exclusivement par le fond, provoquant la combustion du Si, le début de la décarburation et la combustion d'une certaine quantité de Fe qui contribue à la formation de la scorie, avec le CaO apporté par le haut. Pendant cette phase, peu d'oxygène arrive à la scorie. Quand la majeure partie du silicium a été brûlée, on com mence à injecter de l'oxygène latéralement afin de permettre à lto- xygène injecté par le fond d'hêtre utilisé quasi complètement pour la décarburation ;l'injectionlatérale atteignant plus facilement la scorie fournit à cette dernière la quantité d'oxygène nécessaire pour la maintenir à l'état fluide et oxydé désiré, malgré l'apportde chaux ; par ailleurs, elle réduit notablement les risques de débordement de la scorie. Une fois que toute la chaux a été introduite, les besoins d'oxygène de la scorie sont faibles ; on peut réduire la proportion d'O2 latéral, et pousser le plus possible l'injection par le fond, de façon à terminer la décarburation, tout en maintenant la scorie à l'état désiré. En pratique, cette injection latérale peut se faire de plusieurs manières ; le cas échéant, il est possible , grâce à l'emploi des "bouchons" préconisé, de passer d'une méthode à l'autre par une modification simple de l'équipement du convertisseur. Il est à noter que l'injection latérale peut d'ailleurs être mise en oeuvre seule mais que dans ce cas, on perd bien entendu le bénéfice de la combinaison des deux insufflations. Suivant une première modalité - d'utilisation d'un convertisseur suivant l'invention, l'insufflation latérale se fait sous le niveau supérieur du métal, et est dirigée obliquement vers le haut avec une pression au plus suffisante pour que l'oxygène atteigne l'interface métal-scorie. Suivant cette modalité, on dirige lesdits jets de telle façon que ce soit la partie périphérique supérieure du métal qui est davantage intéressée par l'injection. Les réactions d'oxyda tionqui s'y produisent préférentiellement, ont pour effet de provoquer un bouillonnement local périphérique à la surface du bain, lequel bain peut acquérir un profil légèrement concave vers le haut. La scorie, plus légère que le métal, a ainsi tendance à se déplacer continuellement vers le centre, ce mouvement étant naturel lement entretenu par l'injection périphérique elle-même ; les réactions d'oxydation sont ainsi continuellement poursuivies, sur des matières toujours renouvelées. Suivant une autre modalité, particulièrement avantageuse, l'insufflation latérale est oblique, dirigée vers le haut et de façon sensiblement tengentielle aux parois intérieures du convertisseur, ce qui permet d'imprimer un mouvement da rotation rapide d'abord au bain et ensuite à la scorie surnageante. Sous l'effet de la force centrifuge ainsi apparue, la surface supérieure du métal peut s'incurver en présentant une concavité plus ou moins accentuée tournée vers le haut, la scorie, plus légère, se rassemblant davantage au centre. On peut alors profiter de ce que la scorie est plus proche du fond du cnnvertisseur pour augmenter la puissance des jets d'oxygène insufflé par le fond, et ainsi atteindre au moins le voisinage de l'interface scorie-métal ; une perte d'oxygène par excès de puissance du jet n'est pas à craindre à cause de la plus grande épaisseur de scorie en cet endroit.Il est à remarquer que cette insufflation par le fond, et de préférence par le centre du fond ne perturbe pratiquement pas le mouvement de rotation du bain, d'abord parce qu'il est central, ensuite parceque l'impulsion de rotation due aux jets latéraux est dirigée vers le haut. Dans une autre possibilité d'utilisation du convertisseur suivant l'invention, l'interface scorie-métal ou même la scorie est atteinte par une insufflation latérale dirigée vers le centre du convertisseur, insufflation quasi horizontale (de très faible encombrement vertical), celle-ci ne pouvant davantage perturber la rotation de la masse métallique en mouvement. Pour mettre en oeuvre les procédés d'affinage ci-dessus, on utilise un convertisseur dans lequel le profil intérieur du revêtement facilite le "glissement" du métal vers le haut ; à cet égard, un convertisseur présentant vers le haut au moins dans sa partie basse un évasement marqué, s'avère avantageux, car la scorie a davantage tendance à se ramasser en forte épaisseur au centre du bain et à un niveau relativement bas. Dans un cnnvertisseur suivant l'invention, on peut combiner l'insufflation par le fond avec une double insufflation tangentielle, une dans chaque sens, afin de provoquer dans le bain un double mouvement tourbillonnaire sans modification appréciable du profil de la surface du bain. Une telle façon de procéder, par exemple avec un gaz inerte tel que du C02, permettrait en fin d'affinage d'obtenir par un brassage énergique, un bain de métal particulièrement homogène. Il va de soi que lorsque l'une ou l'autre des tuyères ne doit temporairement pas débiter t'oxygène, on l'alimente en un gaz approprié, à une pression suffisante pour éviter son obstruction. Les schémas des figures 3 à 5 ci-après illustrent, à titre purement vindicatif, un convertisseur équipé pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. La figure 3 représente une coupe verticale du convertisseur, la figure 4 en représente une coupe transversale au niveau des tuyères d'injection horizontale, la figure 5 représente une coupe transversale au niveau des tuyères à injection tangentielle ; sur ces figures, les mêmes repères représentent les mêmes pièces. Sur la figure 3, le converfisseur est rempli d'un métal à affiner 9 lequel est surmonté d'une scorie 10. Dans le fond du convertisseur, on a disposé un bloc de soufflage 11 constitué d'un beuchon contenant des tuyères 12 pour le soufflage de l'oxygène dans le bain. La paroi latérale 13 inférieure du convertisseur est en forme de cône évasé vers le haut. Cette paroi est munie, sous le niveau supérieur du métal (au repos) d'une série de bouchons 14 (figure 4) munis de tuyères 15 dirigées vers le centre et sensiblement horizontales. Sous le niveau des bouchons 14 sont disposés deux bouchons 16 (figure 5), munis chacun de deux réseaux de tuyères tangentielles 17 et 18, permettant d'insuffler de l'oxygène dans le bain, en lui imprimant un mouvement de rotation dans un sens ou dans l'autre, ou éventuellement un double mouvement tourbillonnant. Sur la figure 3, on a représenté en 19 et 20, de façon très schématique, le profil quJon pourrait prendre la surface supérieure du métal et de la scorie si la vitesse de rotation du bain atteignait une valeur suffisante. Comme décrit plus haut, l'injection faite par le fond (tuyère 12) est destinée en ordre principal à transférer de l'oxygène au métal, tandis que les injections latérales (tuyères 14, 17 et 18) sont destinées en ordre principal à apporter de l'oxygène à la scorie. Il ne sort naturellement pas du domaine de l'invention de mettre en suspension dans l'oxygène d'affinage insufflé par le fond et latéralement, des matériaux scorifiants, des fluidifiants, du minerai, de la castine, etc..., des hydrocarbures liquides ou gazeux, de la vapeur d'eau, des gaz neutres ou inertes, isolément ou en mélange. Il ne sort pas non plus du cadre de la présente invention de combiner les procédés ci-dessus avec toutes additions solides quelconques effectuées par le haut dans le convertisseur. REVENDICATIONS 1 ) Convertisseur d'aciérie, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comporte une carcasse métallique de forme appropriée, entourant un revêtement réfractaire intérieur, ladite carcasse et ledit revêtement constituant le bec, la partie supérieure des parois latérales ainsi que la paroi inférieure du convertisseur, ladite paroi inférieure étant inamovible par construction et comportant le fond proprement dit du convertisseur et la partie des parois située en-dessous du niveau supérieur habituel du bain métallique, en ce que ladite paroi inférieure présente au moins une cavité la traversant de part en part, et dont les dimensions moyennes sont nettement inférieures à celles du diamètre intérieur du revêtement neuf du convertisseur, diamètre pris au fond de celui-ci, et en ce que dans ladite cavité se trouve disposé un "bouchon" muni d'au moins une tuyère appropriée pour le soufflage d'oxygène dans le convertisseur, par exemple une tuyère à deux conduits coaxiaux. 20) Convertisseur suivant la revendication 1, c a r a ct é r i s é en ce que la paroi inférieure est pourvue d'un seul bouchon muni d'une seule tuyère. 30) Convertisseur suivant la revendication 1, c a r a ct é r i s é en ce qu'il est équipé de tuyères pour l'insufflation d'oxygène pur dans le bain à la fois par le fond proprement dit du convertisseur et à travers la paroi latérale, sous le niveau supérieur du métal. 40) Convertisseur suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2 ou 3 prises isolément, c a r a c t é r i s é en ce qu'il est équipé d'au moins une tuyère imprimant au bain et à la scorie un mouvement de rotation autour de l'axe du convertisseur. 50) Convertisseur suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3 ou 4, prises isolément, c a r a c t é r i s é en ce qu'il est équipé d'au moins une tuyère engendrant un jet latéral dirigé à la fois vers l'axe du convertisseur, vers le haut, et de préférence vers la périphérie de la surface du bain. 60) Convertisseur suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4 et 5 prises isolément, e a r a c t é r i s é en ce qu'il est équipé d'au moins une tuyère engendrant un jet horizontal dirigé vers l'axe du convertisseur, et de faible encombrement vertical. 70) Convertisseur suivant l'une ou l'autre des revendi cations 1, 2, 3, 4, 5, et 6, prises isolément, c a r a c t é r is é en ce qu'il est équipé d'au moins une tuyère engendrant un jet dirigé à la fois légèrement vers le haut ou horizontal, et sensiblement tangentiel à la paroi latérale, à l'endroit où la tuyère qui le produit est logée dans ladite paroi, le jet étant incliné dans le même sens de rotation par rapport à l'axe du convertisseur. 80) Procédé pour l'utilisation du convertisseur décrit à la revendication 3, c a r a c t é r i s é en ce que l'on règle, de référence suivant un programme prédéterminé, la répartition de l'oxygène entre le métal et la scorie, au moyen d'un dosage relatif approprié des injections d'oxygène latérale et par le fond. 90) Procédé suivant ld revendication 8, c a r a c t é r i s é en ce que l'on accroît la quantité d'oxygène reçue par la scorie, essentiellement au moyen des injections latérales. 100) Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 8 ou 9, prises isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'injection effectuée par les tuyères disposées dans la paroi latérale du convertisseur est constituée en tout ou en partie de jets dirigés à la fois légèrement vers le haut ou horizontaux, et sensiblement tangentiels à la paroi latérale à l'endroit où les tuyères qui les produisent sont logées dans ladite paroi, l'ensemble des jets étant constitué de deux groupes disposés en deux endroits nettement distincts lùn de l'autre, la majorité des jets d'un groupe étant inclinés suivant un sens de rotation, par rapport à l'axe du convertisseur, tandis que la majorité des jets de l'autre groupe est incliné dans l'autre sens de rotation par rapport au même axe. 110) Procédé pour l'utilisation des convertisseurs décrits dans l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 prises isolément,c a r a c t é r i s é en ce que, pendant tout ou partie de l'opération d'affinage, on effectue des additions de matériaux scorifiants, fluidifiants, de minerai, de castine, etc... 120) Procédé pour l'utilisation des convertisseurs décrits dans l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, prises isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'on injecte, en suspension dans l'oxygène ou par des conduits entourant les tuyères à oxygène, des matériaux finement divisés, scorifiants, fluidifiants, minerais, castine, ainsi que des hydrocarbures liquides ou gazeux, de la vapeur d'eau, des gaz neutres (C02, azote), inertes, isolément ou en mélange. 13 ) Convertisseurs et procédés d'-utilisation tels que décrits ci-dessus.