Brevet FR2182688A1 — publié le 19731214

La présente invention concerne un procédé et un dldsRo- sitif utilisables pour le traitement des métaux à l'état tel que, par exemple, la conversion oxydante de fonte liquide en acier. Elle ne fait pas appel à des jets issus de lances, mais à des jets issus de tuyères placées dans l'épaisseur de la paroi du récipient métal largigue On connaît de nombreux types distincts de tuyères capables d'insuffler ou d'injecter un ou plusieurs fluides dans une par masse métallique liquide, afin d'en modifier la composition, soit par réactions oxydantes, soit par réactions réductrices, soit par brassage. Ces tuyères sont disposées à travers l'épaisseur de la paroi ou du fond du récipient métallurgique, c'est à dire quelles traversent d la fois la cuirasse métallique du récipient et son revêtement réfrac- taire. De telles tuyères peuvent souffler soit verticalement ou obliquement de bas en haut (par exemple si elles sont disposées dans le fond du récipient métallurgique) ou encore vers le bas de ses parties latérales, soit horizontalement, soit de haut en bas, et, dans ce cas, le plus souvent obliquement0 Généralement, de telles tuyères débouchent au-dessous de la surface du bain métallique, mais elles peuvent aussi, dans certains cas, déboucher au-dessus de cette surface Ces tuyères peuvent encore être classées en tuyères simples tuyères doubles, tuyères multiples. Une tuyère simple, à un seul conduit, ne peut être alimentée que par une seule phase, soit un fluide unique, soit un mélange de fluides distincts. Une tuyère doubleS à deux conduits séparés, peut être alimentée par deux phases distinctes. Une tuyère multiple, à plusieurs conduits séparés, peut être alimentée par plusieurs phases distinctes. C'est ainsi, par exemple, que, pour la conversion de fonte liquide en acier, on utilise parfois des tuyères constituées de deux tubes concentriques, le tube central étant alimenté en oxygène, et le tube périphérique en un fluide protecteur de la tuyère contre l1usure par corrosion à chaud en milieu oxydant. Une caractéristique générale de tous les jets issus de tuyères connues est que, pour un circuit déterminé, alimenté en un fluide (ou un mélange de fluides) donné, il existe à chaque instant une relation biunivoque entre le débit et la pression, et que l2on ne peut pas modifier l'un sans agir sur autre, Cette relation débit-pression caractèrise la perméabilité du circuit considéré, ou encore ses "pertes de charge* à un moment donné. Une conséquence importante de cet état de fait est que l'on ne peut pas modifier le débit dgun jet fluide introduit par une tuyère dans un bain métallique sans modifier aussi son impulsion0 On sait que l'expression de l'impulsion G d'un jet fluide sortant d'un conduit est, dans le cas le plus général, la suivante expresslon dans laquelle est la masse volumique du fluide; est est la vitesse du fluide; P est la pression statique;; S est la surface du jet, XJimpulsion est une force et s'exprime en newtons Ctest la force de réaction du jet considéré sur la tuyère, parfois encore appelée poussée, C'est aussi la force de pénétration du jet fluide dans le bain métallique, considérée à la sortie de la tuyère. On sit calculer l'impulsiont en appliquant l'expression (x), en fonction du régime d'écoulement et des diverses grandeurs mesurées usuellement, telles que : pression, débit, section de passage. On conçoit aisément qutun jet fluide à impulsion élevée débouchant dans un bain métallique présente des caractéristiques d'ordre hydrodynamique d'une part, d'ordre métallurgique d'autre part, différeAtés de celles d'un Jet de moindre impulsion0 Or, dans les tuyères de types connus, il n'est pas possible de modifier l'im- pulsion dtun jet fluide sans modifier aussi son débit massique, de même qu'il n'est pas possible de modifier son débit massique sans modifier son impulsion0 Cette interdépendance de ces deux grandeurs résulte du fait que la section de passage à la sortie de la tuyère est déterminée une fois pour toutes et n'est pas réglable à volonté0 Cette servitude peut présenter, dans bon nombre de traitements métallurgiques de métaux liquides, de sérieux inconvénients. C'est ainsi que, dans la conversion oxydante de fonte liquide en acier, le débit moyen de 1' oxygène d'affinage est souvent déterminé par la durée optimale de l'opération, celle-ci étant fixée d'autre part par le temps nécessaire à la fusion complète des ferrailles ajoutées au bain de fonte liquide, ou par toute autre considération locale Or, pour une hauteur donnée du bain métallique au-dessus du nez d'une tuyère immergée, la proportion d'oxygène soufflée par la tuyère et qui émergedu bain, brulant de l'oxyde de carbone en gaz carbonique à l'intérieur même du convertisseur, au-dessus du bain et du laitier, est essentiellement fonction de l'impulsion du jet. Or, il est très intéressant de pouvoir régler la proportion d'oxyde de carbone brillée en gaz carbonique indépendamment du règla- ge du débit d'oxygène.De même, les conditions de formation du laitier peuvent être fonction de l'impulsion des jets d'oxygène soufflé. Un problème analogue s1 est d'ailleurs posé dans un domaine tout à fait différent : celui des brtleurs industriels, et du réglage de l'impulsion du combustible injecté. Les effets des brt- leurs dits "à double impulsion" sont spécifiques des brtleurs. Ils concernent par exemple la relation existant entre l'impulsion et la longueur de la flamme, qui varient en sens inverse. Dans le domaine des réactions physico-chimiques de métallurgie, il s' agit du règlage de l'impulsion d'un fluide d'affinage du bain métallique par voie chimique et non pas d'un combustible à seul effet thermique ; les relations existant entre le règlage de l'impulsion du fluide dtaffinage et les résultats métallurgiques obtenus sont entièrement distincts des relations existant dans les fours industriels entre le règlage de l'impulsion du combustible des brûleurs et les caractéristiques de la femme au'il produit Le but de la présente invention est de pouvoir régler indépendamment l'un de l'autre l'impulsion et le débit massique du fluide principal d'affinage d'un bain métallique, afin d'agir à volonté sur les phénomènes d'ordre hydrodynamique (brassage, mouvements du bain) et sur les phénomènes d'ordre métallurgique. Â cet effet, la présente invention a dtabord pour objet un procédé de traitement des métaux à l'état liquide, par soufflage étant moins un fluide générateur d'effets chimiaues, réducteurs, neutres ou oxydants, et d'effets d'ordre hydrodynamique, tels que brassage, homogénéisation, mouvements du bain, etc..0. au moyen de jets, issus de la paroi ou du fond du récipient métallurgique, ce procédé étant caractérisé en ce que l'impulsion de ces jets est réglable indépendamment du débit massique du fluide. La présente invention a aussi pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé mentionné ci-dessus, constitué par une tuyère introduisant dans une masse métallique liquide, ou bain métallique, au moins un fluide dont l'impulsion et le débit massique peuvent être réglés indépendamment l'un de autre, caractérisée en ce que l'introduction de ce fluide dans la tuyère s'effectue dans deux circuits ou deux jeux de circuits1distincts, disposés concentriquement, chacun des deux circuits,ou jeux de circuits, pouvant être alimenté sous une pression différente de la pression-d'alimen- tation de l'autre circuit ou de l'autre jeu de circuits, les sections de -passage pouvant être très différentes d'un circuit à L' autre Suivant une caractéristique particulière de l'invention, le circuit le plus central de fluide présente une section plus petite que celle du circuit qui l'entoure, la pression dtnlimentation du circuit le plus central étant au moins égale à la pression d' ali- mentation du circuit qui entoure, et généralement plus élevée que cette dernière. Suivant une variante de l'invention, c'est le circuit le plus central qui présente la section la plus grande et la pression la plus basse, tandis que le circuit qui l'entoure présente la section la plus faible et une pression au moins égale à celle du circuit le plus central0 Suivant une autre caractéristique particulière de l'invention, le procédé selon l'invention 51 applique spécialement bien à l'affinage de l'acier dans des convertisseurs soufflant de 12oxy- gène pur, et il est alors avantageux,gour les tuyères d'affinage à l'oxygène pur, pour que l'impulsion et le débit d'oxygène puissent être réglés indépendamment l'un de l'autre selon l'inventiont que la section de passage de. l'oxygène dans le conduit le plus central soit comprise entre 10 ffi et 40 % de la section de passage du conduit qui l'entoure, et de préférence entre 15 % et 25 % > la pression de soufflage mesurée en amont de la tuyère pouvant varier à volonté entre 2 et 20 bars0 Suivant une autre caractdristique particulière de l'invention, les deux conduits de fluide principal à impulsion réglable sont entourés d'un tube périphérique permettant d'introduire annulairement et séparément un fluide périphérique protecteur du nez de la tuyère contre l'usure, par exemple du fuel-oil s'il s'agit d'une tuyère d'affinage soufflant de l'oxygène comme fluide principale Comme on le comprend l'un des principaux. avantages du procédé selon l'invention est de permettre, pour un même débit massique du fluide principal considéré, de faire varier l'impulsion du jet, et par conséquent son degré de pénétration dans le bain métallique à traiter. On a donc réalisé, en quelque sorte, une tuyère de diamètre variable, sans avoir de pièce mobile, ce qui est indispensable pour une tuyère métallurgique. Par ce moyen, on obtient, en utilisant des tuyères, un effet semblable à celui luron sait déjà obtenir au moyen de lances soufflant au-dessus du bain métallique lorsquton fait varier la hauteur de la lance, ou encore lorsqu'on fait varier les caractéristiques aérodynamiques-du jet principal d'oxygène, avant sa sortie de la lance, ou juste à cet endroit , en provoquant une striction variable. On sait que, par l'un ou l'autre de ces deux moyens (hauteur de lance variable, ou lance à striction), il est possible de favoriser la vitesse de déphosphoration du bain métallique par rapport à sa vitessede décarburation, ou inversement. De même, avec une tuyère selon l'invention, qui, pourtant, n'est pas mobile comme une lance, on peut, compte tenu de la hauteur du bain métallique situé au-dessus du nez de la tuyère, si cette dernière est immergée, ou de sa distance à la surface du bain si elle est émergée, pour un même débit d'oxygène, obtenir des effets hydrodynamiques ,chimiques et métallurgiques différents selon que l'impulsion du jet d'oxygène est faible ou forte. Ces résultats différents peuvent concerner en particulier (sans que cette énumération soit limitative) a) les vitesses relatives de la déphosphoration et de la décarburation, b) la liquéfaction du laitier, c) la combustion dtoxyde de carbone en gaz carbonique au-dessus du niveau du bain, d) le degré de brassage du bain par le jet et par les produits issus des réactions chimiques, tel que l'oxyde de carbone par exemple. liin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire ci-après un mode de réalisation d'une tuyère selon l'invention, utilisée dans un convertisseur d'affinage de fonte en acier soufflant de l'oxygène pur. Avec ce mode de réalisation d'une tuyère, les dimensions des tubes constituant chaque tuyère restant les mêmes, on décrit également ci-après deux convertisseurs dtacidrie pour lesquels l'emplacement des tuyères n1 est pas le même. La figure l représente une coupe longitudinale de la tuyère citée ici en exemple, La figure 2 représente le schéma de son alimentation en oxygène. La figure 3 est une coupe verticale dtun convertisseur muni de plusieures tuyères de ce type placées dans son fond0 Les figures 4 et 5 sont des coupes verticale et horizontale dans un autre convertisseur muni de quatre tuyères de ce type placées dans sa paroi latérale. La tuyère selon cet exemple est alimentée en oxygène pur dont la pression peut aller jusqu'à 20 bars.Elle comporte 3 tubes concentriques, visibles sur la figure l; Le tube central 1, dgun diamètre intérieur de 20 mm, d'w. diamètre extérieur de 25 mm, présente une section de passage pour l'oxygène pur de 314 mm2o Il peut débiter : - 46 Nm3/min, sous la pression maximale de 20 bars mesurée en amont de la tuyère, - 5 Nm3/min, sous la pression minimale de 2 bars, au-dessous de laquelle le tube risquerait d'être bouché par du métal liquide pendant le soufflage0 Le tube 2 entoure le tube central 1. Ce tube intermédiaire 2 a 50 mm de diamètre intérieur et 59 mm de diamètre exté- rieur. Entre les deux tubes 1 et 2 existe ainsi une section de passage de 1470 mm2.Ainsi, dans cet exemple, la section de passage du tube 1 représente 21,4 % de la section de passage annulaire entre les tubes l et 2. Cette section de passage annulaire pour l'oxygène peut débiter : - 215 Nm3/min sous la pression maximale de 20 bars mesurée en amont de la tuyère, - 24 Nm3/min sous la pression minimale de 2 bars, au-dessous de laquelle cet espace annulaire risquerait de se bouchers Le tube périphérique 3 a sa paroi interne très proche de la paroi externe du tube 20 Entre ces deux tubes circule le fluide protecteur du nez de la tuyère contre l'usure0 Sur la figure 2, le schéma d'alimentation de la tuyère en oxygène montre une arrivée principale 4 qui se subdivise en une première dérivation 5 alimentant le tube central 1, et une deuxième dérivation 6 alimentant le tube intermédiaire 2t Pratiquement, le tube central doit pouvoir être alimenté dans tout le domaine des pressions allant de 2 à 20 bars, tandis que le tube intermédiaire ntest utilisé en fait qu(' entre 2 et 8 bars. En effet pour des jets à faible impulsion , la pression d'alimentation du tube intermédiaire devient voisine de ou égale à la pression d'alimentation du tube central, qui prend alors une valeur faible . C'est pourquoi chacune des deux dérivations 5 et 6 comporte un debitmètre régulateur et une vanne automatique : debitmètre 7 et vanne 8 sur la dérivation 5, debitmètre 9 et vanne 10 sur la dérivation 6.Les deux debitmètres régulateurs individuels 7 et 8 sont reliés entre eux par un régulateur universel 11. Il est ainsi possible d'agir, soit indépendamment sur chacun des débits individuels des dérivations 5 et 6, en réglant séparément la régulation des debitmètres 7 et 9, soit sur le rapport des deux débits, en agissant sur le régulateur universel Il, et de régler ainsi l'impulsion totale du Jet global de la tuyère par une seule manoeuvre. Sur la conduite principale 4, on dispose d'un débitmètre régulateur 12 et d'une vanne 13 réglant le débit total. Il suffit donc de fixer la régulation du débitmètre 12 à une valeur prédé- terminée pour obtenir le débit total recherché, et de régler le régulateur universel 1l pour obtenir l'impulsion recherchée, à volonté entre deux valeurs extrêmes C'est ainsi que par exemple, pour les sections de passage mentionnées ci-dessus, si lton vise, pour l'opération métallurgique, un débit total de la précédente tuyère de 70 Nm3/min d'oxygène, on peut réaliser ce débit de différentes manières, c'est-à-dire avec différentes impulsions, toutes comprises entre les valeurs extrêmes suivantes : a) impulsion maximale : 1.600 Newtons 46 Nm3/min dans le tube 1, sous 20 bars 24 Nm3/min dans le tube 2, sous 2 bars b) impulsion minimale : .900 Newtons 12 Nin3/min dans le tube 1, sous 5 bars 58 Nm3/min dans le tube 2, sous 5 bars également. Bien entendu, on peut en outre, avec cette tuyère, réaliser des impulsions supérieures à 1600 Newtons en augmentant le débit total d'oxygène, ou réaliser des impulsions inférieures à 990 Newtons en diminuant le débit total d'oxygène. La figure 4 représente la coupe verticale d'un convertisseur d'affinage de fonte en acier, utilisant plusieurs tuyères identiques à celle qui vient d'être décrite, et disposées dans le fond de ce convertisseur. Sur la figure 4 une seule de ces tuyères, dans le plan de figure, a été représentée. La cuirasse 14 du convertisseur est garnie intérieurement dtun revêtement réfractaire 150 A sa base, une plaque de fond 16 supporte un fond réfractaire 17 raccordé au revêtement 15 par un joint réfractaire 180 Le fond 17 comporte des tuyères selon l'invention, telles que 190 la surface du bain métallique à-l'état statique serait en 20, et la surface du laitier après sa formation en 21.On peut accélérer la formation du laitier par rapport à la décarburation du bain, et aussi accrot- tre la proportion d'oxyde de carbone brûlée en gaz carbonique audessus du niveau- du laitier 21 en jouant sur l'impulsion des jets des tuyères telles que 19, grâce à l'invention0 Pour nn deuxième mode de réalisation, les figures 3 et 4 sont une coupe verticale et une coupe horizontale dsun convertisseur d'affinage de fonte en acier munies de 4 tuyères identiques chacune à la tuyère décrite ci-dessus, et placées obliquement dans le revêtement, sous le niveau du bain métallique. La cuirasse 22 du convertisseur est garnie intérieurement dtun revêtement réfractaire 23 sur toute sa surface. Le convertisseur est dépourvu de fond amovibleb Tout le revêtement réfractaire est monolithique. Dans la partie latérale du revêtement, sous le niveau du bain, sont disposées quatre tuyères 24, 25, 26 et 27, dont les directions de soufflage présentent les caractéristiques suivan tes a) En position verticale du convertisseur, les tuyères 24 et 25 soufflant vers le bas, forment un angle assez faible avec lthori- zontale, tandis que les tuyères 25 et 27 soufflent vers le haut, formant un angle assez faible avec l'horizontale, comme on peut le voir sur la figure 4 pour les tuyères 24 et 27o b) Ces quatre tuyères sont disposées sur le pourtour du convertisseur à 600 l'une de 11 autre, et du cotédu dos, c'est à dire du côt qui est émergé quand le convertisseur est rabattu et que le bain 29 surmonté du laitier 30, est contenu dans la panse. c) Le plan vertical de chaque tuyère en position de soufflage ne contient pas lsaxe vertical du convertisseur, mais sgen écarte dgun quart de rayon environ, )toujours dans le même sens, d'tune tuyère à 11 autre, afin de faire tourner le bain métallique dans ce sens0 Les tuyères 24 et 269 dirigées vers le bas, agissent sur le bain en profondeur. Les 2 tuyères 25 et 279 dirigées vers le ha agissent plus près de la surface du bain.En jouant sur les varier tions d'impulsion, de chaque jetS grâce à l'invention9 on peut maï- triser parfaitement les phénomènes d'ordre hydraulique (brassage, mouvements du bain) et les phénomènes d'ordre physico-chimique vitesses relatives de la décarburation et de la déphosphoration, combustion de Co en Co2 au-dessus du bain etc..00 Les conduits d'alimentation des tuyères, aussybien en oxygène qu'en fluide protecteur, passent par le Xourillon creux 28. Ils n'ont pas été représentés sur la figure 4. Il y a deux conduits pour l'oxygène, aboutissant chacun à un collecteur, non représenté, l'un pour alimenter le tube central de chaque tuyère, l'autre pour alimenter le tube intermédiaire. Quant au tube extérieur de chaque tuyère, conduisant le fluide protecteur, il est alimenté, individuellement, par un conduit spécial à chaque tuyère. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement des métaux à l'état liquide, par soufflage d'au moins un fluide au moyen de jets issus de tuyères placées dans l'épaisseur de la paroi ou du fond du récipient mé- tallurgique, caractérisé en ce que 11 impulsion de ces jets est réglable indépendamment du débit massique du fluide. 2.- Procédé d'affinage de l'acier dans un convertissuer par soufflage d'oxygène au moyen de jets issus de tuyères placées dans l'épaisseur de la paroi ou du fond du convertisseur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de ces jets d'oxygène est réglable indépendamment du débit massique d'oxygène. 3.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, constitué par une tuyère caractérisée en ce que l'introduction du fluide s'effectue dans deux circuits distincts de la tuyère, chacun des deux circuits pouvant être alimenté sous une pression différente de la pressiond'alimen- talion de l'autre circuit. 4.- Tuyère selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux circuits distincts du même fluide dans la tuyère sont concentriques. 5.- Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que, dans la tuyère, le circuit le plus central du fluide considéré présente une section plus petite que celle du circuit qui l'en toure, la pression d'alimentation du circuit le plus central étant au moins égale à la pression d'alimentationAu circuit qui l'entoure. 6.- Tuyère selon la revendication 4, caractérisée en ce que, dans la tuyère, le circuit le moins central du fluide considéré présente une section plus petite que celle du circuit qu'il entoure, la pressiond'alimentation du circuit le moins central étant au moins égale à la pression d'alimentation du circuit qu'il entoure. 7.- Tuyère selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que l'écart des pressions d'alimentation du fluide considéré dans les deux circui-ts de la tuyère est maximal pour l'obtention de l'impulsion maximal du jet, et en ce que cet écart des pressions est faible ou nul pour l'obtention de l'impulsion minimale du jet. 8.- Tuyère de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, réalisée selon l'une quelconque des revendications 5, 6 et 7, et caractérisée en ce que la section de passage de l'oxygène dans le conduit le plus petit est comprise cintre comprise entre 10 ss et 40 % de la section de passage du conduit le plus large, et de préférence entre 15 fouet 25 25, la pressionde soufflage du fluide mesurée en amont de la tuyère pouvant varier entre 2 et 20 bars. 9.- Tuyère de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, réalisée selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que les deux conduits de fluide principal à impulsion réglable sont entourés d'un tube périphérique permettant d'introdulre annulairement et séparément un fluide périphérique protecteur du nez de la tuyère contre l'usure.