Brevet FR2128833A1 — publié le 19721020

Comme on le sait, dans le procédé classique d'élaboa- tion de la fonte, celle-ci s'accumule, à l'état liquide, dans le creuset du haut fourneau et est évacuée, a intervalles de temps réguliers, dans des moules en métal ou en sable ou dans des linge tires, la quantité de fonte ainsi accumulée étant la valeur maxlmale admissible, compte tenu du diantre du creuset et de la hauteur de l'orifice d'évacuation des scories. Le susdit système classique comporte une série d'inconé- nients parmi lesquels on peut souligner les suivants a) Le creuset est évacué très rapidement, ce qui provoque une chute plus rapide que la normale de la colonne solide de chargement du haut fourneau, ce qui se traduit par des variations de la pression de soufflage, du volume d'air injecté et des conditions normales des échanges de chialeur dans les équilibres chimi- ques et physico-chimiques entre les matières solides, liquides gazeuses qui se trouvent à l'IntérIeur du haut fourneau b) Dans la majorité des fonderies, le moulage de la fonte se fait six fois par vingt-quatre heures. L2ouverture d l'orifice de coulée, à l'aide d'un marteau pneumatique, d'oxygQ e, d'un ciseau ou d'un marteau piqueur, constitue l'un des problèmes les plus sérieux à résoudre dans la pratique des hauts fourneaux, particulièrement dans les usines de petites dimensions où la fonte est versée directement dans des moules de sable ou dans des coquilles de fonte, sans usage de lingotières intermédiaires. Rn outre, le réglage de l'écoulement de la fonte, pendant LPopération d'extraction, qui est un facteur essentiel pour donner lieu à un remplissage régulier des moules de sable ou cociuilles, est pratiquement impossible et un écoulement violent de fonte liquide, quand on ne dispose pas de lingotières pour la stocker, provoque un remplissage irrégulier des coquilles ou moules de sable et, par conséquent, la formation d'un grand pourcentage de pièces moulés imparfaites ainsi que d'éclaboussures, c'est-à-dire de jets de métal liquide à grande distance, facteur extrêmement dangereux et entraînant des dégâts énormes. I1 s'ajoute à cela le fait que La formation de grandes quantités de. pièces moulées imparfaites, durant l'extraction de la fonte, est un facteur économique sérieux car ces pièces sont vendues à des prix bien inférieurs a ceux des pièces de fonte commune. c) Après l'évacuation de la fonte hors du haut fourneau, il se pose un autre problème des plus sérieux, lequel réside dans l'obturation de l'orifice de sortie du haut fourneau. Dans les grandes usines, ceci est fait avec des machines et équipements coûteux alors que, dans les usines petites et moyennes, le travail est fait manuellement, ce qui expose les ouvriers à une ambiance excessivement chaude, avec de gros risques de brûlures. De toute manière et dans n'importe quelle fonderie, grande ou petite, l'ouverture, l'obturation et l'entretien de l'orifice de coulée constituent des problèmes importants pour les spécialistes du haut fourneau ; il en est de même pour les avaries occasionnées au trou de coulée, ou à la partie de la garniture réfractaire voisine de ce trou,et pour son ouverture spontanée, en dehors du moment prévu, qui posent des problèmes très graves dans la pratique du haut fourneau. d) Dans le procédé classique d'évacuation intermittente de la fonte, le niveau de la couche liquide de fonte varie considérablement dans l'intervalle de temps séparant deux évacuations successives ; il en est de même avec la couche de scories qui surnage au-dessus de la fonte liquide contenue dans le creuset du haut fourneau. Par conséquent, les quantités (masses) de fonte et scories accumulées dans le creuset varient d'une valeur minimale (aussitôt après une extraction) à une valeur maximale (aussitôt avant l'extraction de fonte ou de scories).La montée des couches liquides accumulées dans le creuset entraine, comme première conséquence, une augmentation progressive de la pression de soufflage du haut fourneau, augmentation qui, si l'usine ne dispose pas d'équipements de soufflage à débit constant, diminue le volume d'air injecté par les tuyères et, par conséquent, la vitesse de descente des charges solides, ce qui fait tomber la production horaire du haut fourneau. Une augmentation excessive du niveau des scories dans le creuset les amène parfois au contact des tuyères, en y provoquant des avaries ou une obstruction. Par ailleurs, si c'est la couche de fonte qui atteint les tuyères, il y a alors un très grand danger d'explosion de celles-ci. Comme le réglage de la composition chimique de la fonte est fait dans la cuve, par la réaction fonte/scories et par le passage de fonte liquide à travers la couche de scories, on voit que les quantités (masses) de fonte et scories en présence ont une grande influence sur la composition chimique finale de ia fonte. Si, dans le procédé classique, la quantité de scories qui surnage au-dessus de la fonte varie de zéro à une valeur maximale autorisée, il est évident que la réaction fonte/scories, principalement lors du passage de gouttelettes de fonte à travers les scories, a un rendement variable dans l'intervalle de temps compris entre deux évacuations successives. I1 se produit ainsi des fontes de diverses qualités chimiques, dans l'intervalle de temps compris entre deux évacuations successives, et ces fontes s'accumulent dans le creuset où elles se séparent par ordre de densités ; c'est ainsi qu'une fonte de plus faible teneur en silicium va vers le fond du creuset. En d'autres termes, dans une même opération d'extraction, on obtient,non pas une fonte de composition chimique déterminée, mais une fonte comprise dans une gamme de composition chimique qui est assez large. Cette ségrégation de la fonte dans le creuset est encore favorisée par le fait qu'il n'y a pratiquement aucun mouvement du bain liquide, ce dernier étant pratiquement stationnaire. Par suite des circonstances susindiquées, on a imaginé les perfectionnements au procédé d'extraction de la fonte de hauts fourneaux,qui font l'objet de la présente invention, lesquels visent essentiellement à éliminer complètement tous les inconvénients notés ainsi qu'à permettre un niveau de rendement qui n'a pas été rencontré jusqu'ici dans les procédés connus. Selon le procédé perfectionné en question, on crée un écoulement de fonte liquide, du creuset de haut fourneau à un réservoir extérieur, cet écoulement pouvant être continu ou intermittent, par les variations de la pression de soufflage du haut fourneau, de la hauteur de la couche de scories et de la hauteur de la fonte dans le réservoir extérieur. Les dessins annexés illustrent la présente invention La figure 1, de ces dessins, montrent en coupe verticale, un creuset de haut fourneau, équipé d'un réservoir extérieur accolé, sans chauffage supplémentaire. La figure 2 montre, également en coupe verticale, un creuset de haut fourneau, équipé d'un réservoir extérieur écarté, lui aussi sans chauffage supplémentaire. Le figllre 3 montre, aussi en coupe verticale, un creuset de haut fourneau, à réservoir extérieur accolé et à chauffage supplémentaire. La figure 4 illustre, également en coupe verticale, un creuset de haut fourneau, à réservoir extérieur écarté et à chauffage supplémentaire. La figure 5, enfin, montre, encore en coupe verticale, un creuset de haut fourneau, sans réservoir extérieur. Sur toutes les figures susindiquées, on a montré un creuset 1 de haut fourneau, à parois réfractaires, muni bien entendu de tuyères 2 ainsi que d'une ouverture 3 d'évacuation des scories et pouvant être doté d'ouvertures d'évacuation d'urgence 4. Quant aux perfectionnements au procédé d'extraction de la fonte hors du haut fourneau qui font l'objet de la présente invention, ils sont fondés sur la construction d'un réservoir extérieur 5 à fonte liquide, accolé à (figures 1 et 3) ou séparé de (figures 2 et 4) la paroi réfractaire du creuset du haut fourneau et communiquant avec une partie de l'intérieur de ce creuset par un orifice inférieur 6, horizontal ou incliné, ledit orifice de communication du réservoir extérieur 5 avec le creuset 1 ayant les mêmes caractéristiques que l'orifice de coulée normal et étant libre en permanence afin d'établir une communication constante entre creuset et réservoir. On a d'abord pensé à accoler le réservoir extérieur 5 à la paroi réfractaire du creuset, mais des observations ultérieures ont montré que ladite paroi commune, maintenue dans le bain de fonte par ses deux côtés, subissait des dégâts importants. Pour éliminer cet inconvénient, on a imaginé de construire le réservoir extérieur 5 à l'écart du creuset (figures 2 et 4) et à ne le faire communiquer avec celui-ci que par un canal inférieur 7 où est placé un orifice 6 de passage de la fonte liquide, du creuset de haut fourneau audit réservoir, cette modification permettant un refroidissement du creuset sur toute sa surface extérieure et entraînant ainsi une meilleure tenue du réfractaire. Quant à l'orifice de communication 6, il est de préférence horizontal mais il peut être incliné (figure 5) ou en ligne brisée (polygonale) ; dans ces deux derniers cas, grâce à un dimensionnement approprié, on peut supprimer le réservoir extérieur proprement dit pour autant que le canal lui-même ou une partie de celui-ci joue le rôle d'un réservoir extérieur. En ce qui concerne encore le réservoir extérieur 5, dont les parois et le fond doivent être en matière réfractaire, sa forme et son volume n'ont aucune influence sur le principe du fonctionnement. Cependant, pour faciliter le travail et dans le but de permettre l'introduction d'une barre d'acier dans l'orifice de communication 6 entre réservoir et creuset, au cas ou cet orifice viendrait à être obstrué, il convient que ledit réservoir extérieur 5 ait une forme allongée, par exemple une forme rectangulaire allongée, et un fond incliné et ses parois latérales doivent également être inclinées pour faciliter le nettoyage. En ce qui concerne le volume et la capacité correspondante de réserve de fonte liquide, ils ne doivent pas être trop petits pour éviter le refroidissement de la fonte liquide ainsi accumulée. Pour des coulées continues ou presque continues de la fonte hors du réservoir extérieur et vers une lingotière, des moules ou tout autre réceptacle, il n'est pas nécessaire que le réservoir ait une grande capacité alors que, pour des coulées intermittentes, il convient que ce réservoir ait une capacité plus grande, voisine par exemple de celle du creuset du haut fourneau. Naturellement, le réservoir extérieur 5 peut posséder un ou plusieurs canaux 8 de coulée de la fonte pour une lingotière ou autre réceptacle, tous de hauteur facilement réglable, à chacun desquels correspond une goulotte orientable 9 dirigée directement vers le susdit réceptacle. Le principe fondamental du procédé perfectionné est de maintenir, à l'intérieur du creuset de haut fourneau, une couche de fonte liquide dont le niveau reste toujours au-dessus de l'orifice 6 par lequel le creuset communique avec le réservoir extérieur 5, ce qui empêche les scories de sortir par cet orifice. On obtient ce résultat en maintenant, dans le réservoir extérieur 5, une hauteur telle de fonte liquide que la pression ferrostatique s'y équilibre avec la pression ferrostatique de la couche de fonte liquide dans le creuset, plus la pression de la couche de scories qui surmonte la fonte, plus encore la pression de soufflage du haut fourneau qui est la pression avec laquelle l'air est injecté par les tuyères 2. De cette manière, la niveau de la fonte dans le creuset 1 varie avec la pression de soufflage, la pression de la couche de scories et la variation de la hauteur de la fonte dans le réservoir extérieur 5. La variation de la pression de soufflage, au gré de l'opérateur de haut fourneau ou accidentellement, peut s'accompagner d'une variation de hauteur de la fonte liquide dans le réservoir 5. La variation de pression des scories évolue entre deux extractions successives des scories et elle est d'ailleurs très petite ; dans le cas d'une extraction continue des scories, la variation de pression des scories est pratiquement nulle. Ainsi, pour calculer la hauteur de la fonte dans le réservoir, on doit tenir compte de la susdite variation de pression des scories, en laissant une marge de sécurité afin que les scories n'atteignent jamais l'orifice de communication 6 du creuset 1 avec le réservoir 5. On peut facilement faire varier la hauteur de la fonte liquide dans le réservoir 5 en élevant ou abaissant le canal de coulée 8 du réservoir. Si l'on construit la sortie de ce canal en terre ou en matière réfractaire, l'opération de soulèvement ou d'abaissement peut facilement se faire en enlevant ou en mettant davantage de matière réfractaire à la sortie, de manière appropriée et bien entendu avec un outillage de maçon. Ces soulèvement et abaissement appropriés du canal de coulée 8 du réservoir extérieur 5 sont très importants, surtout quand on cherche à en extraire la fonte par intermittence. En ce cas, le niveau de la fonte dans le réservoir va varier d'une hauteur minimale H à une hauteur maximale H1. Pour une extraction continue de la fonte hors du réservoir, le niveau de celle-ci dans le creuset du haut fourneau est pratiquement constant et, pour une extraction intermittente, son niveau dans le creuset varie d'une valeur égale à H1 - H. Dans tous les exemples illustrés sur les dessins ciannexés (figures 1 à 5), qui se prêtent indistinctement à l'ex- traction de la fonte hors du réservoir par un procédé continu, un procédé quasi continu ou un procédé intermittent, on peut calculer la hauteur de la fonte liquide dans le réservoir de la manière suivante. Soit H : la hauteur de la fonte liquide dans le réservoir 5(en mètres); H1 : la hauteur maximale de la fonte liquide dans le réservoir 5; 3 dg : le poids spécifique de la fonte liquide (en kg/dm de : le poids spécifique des scories liquides (en kg/dm3) h : la hauteur de la fonte liquide dans le creuset 1 jusqu'au g niveau supérieur de l'orifice 6 assurant sa communication avec le réservoir extérieur 5 (en mètres) h' : la hauteur de la fonte liquide dans le creuset 1, au g dessus de l'orifice de communication 6 (en mètres) h e : la hauteur de la couche de scories jusqu'au niveau de l'ori- fice 3 d'extraction des scories (en mètres) h' : la hauteur maximale des scories, au-dessus de l'orifice 3 d'extraction des scories P : la pression de soufflage en mètres de colonne d'eau. On détermine la hauteur H par la formule suivante P + h' gdg + de (h e + h' H gg d g Pour des extractions intermittentes des scories, h' e est prise à sa valeur maximale, inférieure à la valeur de la différence de hauteur entre les tuyères et l'orifice d'évacuation des scories. Pour les extractions ininterrompues des scories, hte est pratiquement nulle. La valeur de h' doit être prise à une valeur de l'or- g dre de 0,20/0,30 m, pour les petits hauts fourneaux, et de l'or- dre de 0,40/0,60 m ou plus, pour les grands hauts fourneaux, compte tenu de la sécurité contre les surpressions internes dans la couche de fonte liquide du creuset, lesquelles surpressions peuvent provenir de la colonne solide du haut fourneau ou de toute autre cause. Pour les extractions intermittentes hors du réservoir extérieur, la valeur de H croît, 8ens l'intervalle séparant deux extractions successives, jusqu'à une valeur maximale H1. L'augmentation de hauteur (H1 - H ) du niveau de fonte dans le réser voir détermine une augmentation de la hauteur h' de la fonte g dans le creuset Et une diminution égale de la hauteur he des e scories. Pour les extractions quasi continues de la fonte hors du réservoir ou quand l'extraction des scories est intermittente, ou quand varie la pression de soufflage, la variation de H est très petite et le laps de temps pendant lequel la fonte cesse de sortir par le canal de coulée du réservoir est faible lui aussi (de l'ordre de vingt à quarante minutes pour les petits hauts fourneaux, avec intervalle de trois heures pour l'extraction des scories) Dans les extractions continues, la valeur de H reste constante, la hauteur h'e n'existant pratiquement pas, étant donné que les scories sont évacuées d'une manière ininterrompue et que la pression de soufflage reste constante.On peut réaliser aussi une extraction continue de la fonte hors du réservoir avec une extraction intermittente des scories, en faisant baisser graduellement la valeur de H, à mesure que les scories sont évacuées, c'est-à-dire à mesure que hte diminue. On peut aussi, aux mêmes fins, augmenter graduellement la pression de soufflage à mesure que h' diminue. L'application simultanée de ces deux e mesures est aussi possible. Si l'on se réfère maintenant aux figures 3 et 4, l'installation, dans le réservoir extérieur 5, d'un toit (voûte) réfractaire 10, fixe ou amovible, et naturellement avec une cheminée 11 et encore avec un chauffage dudit réservoir à l'aide d'un brûleur 12 (brûlant un combustible convenablement choisi, liquide, gazeux, en poudre ou mixte) permet, entre autres choses:: a) de maintenir ou augmenter la température de la fonte du réservoir, pour des nécessités de travail ou en fonction de son utilisation postérieure b) de maintenir, dans le cas d'une extraction intermittente, une couche de scories ayant une composition chimique convenable, au-dessus de la fonte du réservoir, en vue principalement de provoquer une purification de celle-ci, par exemple une désulfuration c) de faire des additions métalliques ou non métalliques, en vue d'obtenir des fontes ayant les compositions chimiques désirées (fontes spéciales, fontes alliées et autres). La qualité du revêtement réfractaire du réservoir extérieur sera déterminée en fonction des exigences des opérations (situation des scories au-dessus de la fonte, additions et autres) que l'on a l'intention d'y faire et sa nature pourra être acide, basique ou neutre. Enfin, le procédé perfectionné en question possède, par rapport au procédé classique, une série d'avantages parmi lesquels on peut distinguer les suivants - facilité extrême de mise en oeuvre, sans exposer les ouvriers à une ambiance excessivement chaude et à de dangereuses projections de fonte liquide - élimination de tout l'équipement d'ouverture de l'orifice de coulée (marteaux pneumatiques ou autres) et de refermeture de celui-ci (machines à tamponner les hauts fourneaux et autres), étant donné que l'orifice assurant la communication entre le creuset et le réservoir extérieur est toujours libre, à moins toutefois qu'il ne soit obturé accidentellement ou à la volonté de l'opérateur ; dans ce dernier cas, l'obturation est faite à l'aide d'un bouchon d'argile, le réservoir extérieur et le creuset devant alors être vides tous deux - élimination des problèmes d'avarie de l'orifice de coulée et de la partie avoisinante du revêtement réfractaire - possibilité d'extraction continue, quasi continue ou intermittente de la fonte hors du réservoir extérieur, avec élimination presque complète des lingots imparfaits - possibilité de régularisation de la pression de soufflage (dans la coulée continue ou quasi continue), avec comme conséquences la régularité de descente des charges solides du haut fourneau et la régularité de la production - élimination presque totale des risques d'avarie et d'obstruction des tuyères par contact avec la fonte ou les scories, étant donné que les couches de fonte et scories dans le creuset peuvent être maintenues beaucoup plus basses que dans le procédé classique, surtout le niveau de fonte - création de conditions propres à la fabrication d'une fonte homogène et chimiquement plus chaude, cette homogénéité étant favorisée par la possibilité de maintenir à tout moment dans le creuset une couche de scories de grande hauteur, ce qui facilite la réaction fonte/scoris, surtout lorsque les gouttelettes de fonte traversent une couche de scories de grande épaisseur ; la mise en mouvement physique du bain de fonte tend à l'homogénéiser, cette mise en mouvement étant évidente puisqu'il existe un écoulement continu ou presque continu de fonte, du creuset au réservoir - possibilité d'obtenir des fontes physiquement plus chaudes par utilisation de brûleurs dans le réservoir extérieur - possibilité d'obtenir des fontes spéciales ou des fontes alliées, par des additions faites dans le réservoir extérieur - possibilité d'obtenir des fontes plus homogènes, à l'aide d'une agitation spontanée dans le réservoir, cette agitation pouvant être provoquée, entre autres, à l'aide d'une barre d'acier ou d'acier à revêtement réfractaire que l'on introduit dans le bain en l'agitant - augmentation de la production du haut fourneau, de l'ordre de 10 à 20 %, par la création de conditions qui permettent une régularité de marche inconnue dans le procédé classique de coulée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction de la fonte hors des hauts fourneaux, permettant une extraction continue ou intermittente, caractérisé par le fait que le creuset du haut fourneau est combiné à un réservoir extérieur de fonte liquide, accolé à, ou séparé de, la paroi réfractaire de ce creuset, sans toit ou avec toit (voûte) fixe ou amovible, avec ou sans chauffage supplémentaire, et avec ou sans orifice d'évacuation d'urgence, ledit réservoir extérieur ayant un revêtement réfractaire de nature acide, basique ou neutre. 2. Procédé d'extraction de la fonte hors des hauts fourneaux selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réservoir extérieur communique avec l'intérieur du creuset du haut fourneau par un orifice inférieur, horizontal ou incliné, pour le passage de la fonte du creuset au réservoir, ledit orifice étant toujours ouvert en permanence en établissant une communication constante entre creuset et réservoir. 3. Procédé d'extraction de la fonte hors des hauts fourneaux selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le réservoir extérieur possède un ou plusieurs canaux de coulée de fonte vers une lingotière ou autre réceptacle, tous de hauteur facilement réglable, à chacun desquels correspond une goulotte directrice extérieure, dirigée directement vers le susdit réceptacle. 4. Procédé d'extraction de la fonte hors des hauts fourneaux selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on établit un équilibre entre la pression de la fonte du réservoir extérieur et la pression de la couche de fonte du creuset, augmentée de la pression de la couche de scories surmontant la fonte du creuset, de la pression de soufflage du haut fourneau et des surpressions additionnelles au-dessus de la fonte du creuset, surpressions dues à la charge solide du haut fourneau.