Brevet FR2194780A1 — publié le 19740301

La présente invention concerne un procédé et une installation de décarburation de la fonte, servant notamment à corriger la teneur en carbone de la fonte de moulage ou fonte de première fusion qui n'est pas destinée à être transformée en acier. On cherche en particulier, en yue d'opérations de moulage par centrifugation, à disposer de fontes dont la teneur en carbone soit limitée supérieurement aux environs de 3,70%, et éventuellement la teneur en soufre à 0,010%. Un procédé connu d'abaissement du taux de carbone consiste à ajouter à la fonte des ferrailles d'analyse convenable en quantité appropriée. Il se trouve toutefois que, dans certains pays, cette solution, bien que bonne en elle-même, se révèle économiquement impraticable étant donné le prix des ferrailles. D'autres solutions sont inacceptables, telles que l'utilisation d'oxygène qui entraînerait une désiliciation, au moins partielle, absolument contre-indiquée pour obtenir la structure métallographique requise pour les fontes indiquées plus haut. De même, on doit chercher à éviter toute perte de manganèse. C'est pourquoi l'invention a pour but l'obtention d'un procédé économique permettant un abaissement sélectif du taux de carbone, sans perte ni de silicium, ni de manganèse et conservant en outre à la fonte une structure exempte de cémentite, avec une tendance faible aux retassures. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de décarburation de la fonte, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans la fonte en fusion de l'anhydride carbonique pur. Cette introduction a ainsi pour effet d'oxyder sé3ectivement le carbone, sans oxyder ni le silicium, ni le manganèse. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, on utilise de l'anhydride carbonique liquide que l'on intrdduit à l'aide d'une lance d'injection que l'on plonge dans le bain de fonte sortant du haut fourneau. De façon avantageuse on effectue simultanément une désulfuration partielle de la fonte, par exemple à l'aide d'un mélange désulfurant en poudre à base de chaux. Enfin, de façon à obtenir un bilan thermique acceptable sur l'ensemble des opérations, simultanément à l'introduction d'anhydride carbonique pur dans la fonte en fusion, on brille de préférence l'oxyde de carbone dégagé par la décarburation résultante à l'aide d'un oxydant tel que par exemple un gaz oxydant comme l'air ou l'oxygène. Ceci permet de conserver en fin d'opération une température de la fonte supérieure à 13600C. L'invention a également pour objet une installation permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisee en ce qu'elle comprend une poche présentant,. d'une part, une ouverture de remplissage, une ouverture d' écoulement et un orifice d'échappement de gaz et d'autre part un orifice traversé par un dispositif d'introduction d'anhydride carbonique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs: la Fig. 1 est une vue,en coupe suivant son plan vertical de symétrie, d'une installation conforme à L'invention; la Fig. 2 est une vue analogue et partielle d'une variante de cette installation. L'installation de la Fig. 1 comprend une poche 1 légère- mnt tronconique et évasée vers le haut,analogue aux poches à désulfurer du type poches à secousses. La structure d'une telle poche est connue en soi, notamslent en ce qui concerne son revêtement réfractaire. Cette poche a un volume utile tel qu'on y puisse recueillir jusqu'à une dizaine de tonnes de fonte. Cette poche est fermée à sa partie supérieure par un couvercle fixe 2 dans lequel sont ménagées deux ouvertures 3 et 4. Ce couvercle présente d'un cOté une partie horizontale 5 dans laquelle est ménagée l'ouverture la plus grande 3 et de l'autre coté une patie inclinée vers le bas 6 sur le bord de laquelle est ménagée l'ouverture la plus petite 4 qui est délimitée par un bourrelet 7 du couvercle, dirigé vers le haut et dont le profil est susceptible de provoquer, lors du déversement de la fonte par l'ouverture 4, un fonctionnement du type siphon, favorisant l'éli- mination des crasses. L'ouverture 3 est fermée, pour le traitement, par un chapeau amovible 8, de base circulaire et présentant d'une part une paroi 9 cylindrique et verticale qui est percée d'un orifice 10 d'évacuation des fumées et d'autre part une paroi plane elliptique 11 correspondant à une section inclinée, à environ 45 , du cylindre de la paroi 9 et raccordée au niveau de la base du chapeau. Cette paroi 11 est percée d'un passage 12 cylindrique et vertical qui débouche å l'extérieur par une ouverture elliptique. Ce passage 12 est traversé par une gaine 13 qui entoure une lance 14, la Bine et la lance étant toutes deux verticales et coaxiales. La gaine 13 est constituée par deux tubes d'acier 15 et 16 montés l'un dans l'autre, le premier étant fixé sur le passage 12 et faisant saillie au-dessus du chapeau 8, tandis que l'autre qui y est emboîté fait saillie à l'intérieur de la poche jusqu' une distance 1 de la surface qui évite un endommagement trop rapide par la chaleur de cette gaine. Le tube extérieur 15 présente à sa partie supérieure et latéralement un piquage 18 sur lequel peut être raccordée une arrivée d'air soufflé reliée à un ventilateur monté sur roue.Ce tube 15 est fermé à son extrémité supérieure par un couvercle 19 percé d'un orifice 20 de passage de la lance 14 qui est surmonté d'un divergent 2ltourné vers le haut et qui óestituS un entonnoir de guidage de la lance dans la gaine. Le tube intérieur 16 est revêtu d'une couche réfractaire intérieure 22; ce tube est consommé, c'est-à-dire brûlé, en partie, au cours du traitement; sonrremlacement est donc prévu, de façon commode, en fixant, par une broche 23, dans le tube 15. La lance 14 est un tube d'acier étiré sans soudure revêtu extérieurement d'un ciment réfractaire. Elle se trouve, de même que le tube 16, partiellement consommée au cours du traitement. Cette consommation est rendue inévitable si l'on veut, par plongée de la lance à une certaine profondeur au-dessous de la surface du bain après qu'elle ait été préalablement refroidie jusqu'au givrage ainslque cela sera expliqué plus loin, amener de l'anhydride carbonique sous forme liquide le plus près possible de la fonte. Pour tenir compte de sa consommation, cette lance est en deux sections, une section supérieure 24 d'une longueur d'environ 2,5 m, qui est suspendue en permanence de la façon décrite plus loin, et une section inférieure 25, d'environ 3 m avant utilisation, qui est amovible par rapport à la section supérieure afin de pouvoir être remplacée lorsqu'elle a été usée. La section supérieure comporte, vers son extrémité inférieure, un diaphragme 26 de limitation du débit d'anhydride carbonique. Cette lance 14 est suspendue à une potence pivotante 27 par une suspension réglable en hauteur permettant sa levée hors de la poche 1, son effacement en une position 28 de dégivrage et son retour et sa descente dans la poche en vue du traitement suivant. Cette suspension comprend un bloc 29 qui présente deux pattes horizontales 30 offrant des passages que traverse la section 24 de la lance; cette section 24 est fixée sur ce bloc gracie a des écrous de serrage 31 et le bloc est fixé à l'extrémité d'un cible 32 qui passe sur deux poulies de renvoi 33 et 34 fixées sur un bâti triangulaire 35; l'autre extrémité du cable 32 est reliée à un dispositif de traction 36 et le bâti 35 est monté pivotant autour d'un axe vertical fixe 37. L'installation comprend par ailleurs une seconde lance 38 qui traverse la partie inclinée 6 du couvercle et qui est constituée par un tube d'acier revêtu du même ciment réfractaire que la lance 14, son extrémité inférieure arrivant très près du bain de fonte 17, mais n'y plongeant pas. Son extrémité supérieure est reliée à une chambre de fluidisation 39 qui y envoie un mélange désulfurant, sous forme pulvérulente, porté par un courant d'air comprimé. La lance 14 peut occuper deux positions, la position 14 en trait plein et la position 28 en trait interrompu grâce à la potence pivotante 27. Dans ces deux positions 14 et 28, la lance est raccordée à un circuit d'alimentation en anhydride carbonique et de circulation forcée de ce fluide (gracie à une pompe 40), ou par gravité, a partir drun réservoir 41 d'anhydride carbonique en phase liquide. Une tuAipe-42 posée au niveau inférieur de la poche 1, sert à recevoir la lance lorsque celle-ci est en position 28 pour en obtenir je givrage, ainsi que cela est expliqué plus loin. Un conduit fixe 43 de retour d'anhydride carbonique est relié d'une part à la partie inférieure de la tulipe 42 et d'autre part au réservoir 41 d'anhydride carbonique. Ce conduit permet ainsi un recyclage de l'anhydride carbonique. Le fonctionnement de l'installation ainsi décrite est le suivant: Un cycle complet de fonctionnement comporte deux phases successives: une phase préliminaire de givrage de la lance par l'anhydride carbonique et une phase de décarburation-désulfuration du bain de fonte. La phase préliminaire de givrage de la lance a lieu dans la position 28 où la lance est raccordée au conduit de retour 43 vers le réservoir 41 d'anhydride. L'opération correspondante consiste a faire circuler l'anhydride carbonique liquide à travers la lance et le conduit 43 jusqu'à ce que l'on obtienne un givrage de la lance. Le réglage de la pompe 40 de circulation forcée et le choix du diamètre du diaphragme 26 permettent de fixer le débit d'anhydride carbonique a la valeur désirée pour obtenir dans le temps voulu la température de la lance exigée pour aborder le traitement métallurgique dans de bonnes conditions; la circulation est alors interrompue.Pendant ce temps, une coulée de fonte est recueillie, par soutirage du haut fourneau, dans une poche de traitement 1, au travers de l'ouverture 3 libérée temporairement de son chapeau 8. La phase de décarburation-désulfuration a alors lieu de la façon suivante: on répand sur le bain de fonte, par simple projection à travers l'ouverture 3, une partie (1/3 environ) du mélange désulfurant nécessaire; on met alors en place le chapeau 8, puis on transporte la poche 1 à l'emplacement voulu pour le traitement, sous la potence 27; on descend ensuite la lance 14 à travers le divergent 21 et l'orifice 20 et on l'immerge dans le bain à la profondeur maximale; on ouvre le circuit d'alimentatinn en anhydride carbonique, ce qui amène cet anhydride par la lance 14 à venir barboter dans la fonte; à un certain niveau de la lance, il y a évaporation de l'anhydride carbonique liquide en gaz carbonique; on branche alors le ventilateur sur le piquage 18 et on insuffle dans la poche un gaz oxydant (air ou oxygène pur), par ce piquage et par la gaine 13; on injecte enfin le reste du mélange désulfurant et un complément de gaz oxydant par la lance 38. Le gaz carbonique insufflé par la lance 14 (liquide à - 200C) se combine avec le carbone qui est dissout dans la fonte à 14500C pour libérer de l'oxyde de carbone suivant la réaction: kcal par atome de C Cetterdernière quantité de chaleur comprend la chaleur d'évaporation de l'anhydride carbonique. L'oxyde de carbone ainsi libéré est brûlé au contact.de l'air ou de l'oxygène pur apporté par la gaine 13 et la lance 38 suivant la réaction (à 14500C) par mole de O2 La réaction (1) est très violente et provoque des projections de fonte jusqu'au niveau du chapeau. C'est d'ailleurs l'agitation correspondante qui est mise à profit pour désulfurer la fonte au moyen d'un mélange désulfurant a base de chaux, suivant une combinaison des deux réactions suivantes: par atome de soufre par atome de soufre Il faut noter que la désiliciation correspAdat a a réaction (3) est sans influence notas sur le maintien du silicium à un taux suffisant au terme de ces opérations. Un exemple pratique d'application est le suivant: fonte à 4% de C, 2% de Si et 0,0258 de S . charge moyenne de fonte par traitement : 7 tonnes diaphragme 26 : diamètre 4 mm débit pondéral d'anhydride carbonique : 16 kg/mn . durée du traitement : 10 mn . dont durée d'insufflation : 6 mn . consommation globale en C02 : 0,85 kg pour 0,01% de chute sur le carbone et par tonne traitée . abaissement moyen du taux de carbone : 0,20% . mélange désulfurant utilisé en % du tonnage de fonte: CaO 1 a 1, 5 % C2Ca .............. 0,25 à 0,35 % CaF2 .............. 0,04 à 0,06 % . abaissement du taux de soufre: 0,010 % . pas de chute notable du taux de silicium (chute moyenne: 0,08 %) . consommation de lance : 3 m/100 tonnes . chute de température : limitée à 800C L'introduction de carbure de chaux qui donne une réaction de désulfuration exothermique contribue à la stabilité de la température S.insU, le traitement assure non seulement une décarburation, mais encore une désulfuration simultanée. Le choix de poches analogues aux poches à désulfurer et la suite des opérations à partir du chenal de coulée du haut fourneau permettent cette réalisation de la désulfuration en même temps que le traitement à l'anhydride carbonique, en mettant à profit l'agitation créée dans le bain ainsi que l'atmosphère réductrice en enceinte fermée utilisée. Le soufflage du C02 sous forme liquide pourrait ne pas sembler très favorable du point de vue thermique, le bilan thermique de l'opération étant déjà déficitaire et le soufflage de CO2 liquide ne faisant qu'accentuer ce déficit. En fait, c'est cette solution qui est technologiquement la plus favorable et qui permet le mieux d'exploiter pratiquement le procédé. L'usage du C02 liquide permet en effet de souffler un débit élevé (jusqu'à 25 kg/mn) sans difficultés particulières grâce au plus faible volume occupé par le C02 liquide et, de gus, le stockage du C02 sous forme liquide évite d'avoir à utiliser des évaporateurs.Par ailleurs, la gazéification et la détente du C02 dans la lance produisent un refroidissement énergique de celle-ci, ce qui empêche sa destruction rapide par fusion dans la fonte et en réduit donc la consommation; une faible isolation extérieure de la lance par le tube 16 garni de réfractaire suffit pour éviter une forte dissolution de la lance dans la fonte. La profondeur du travail permet en outre de maintenir, entre le refroidissemebt et l'échauffement de la lance, un équilibre qui réduit la consommation de cette dernière et s'avère propice à la régularité du procédé. I1 est intéressant de respecter un équilibre entre d'une part la combustion complète, suivant la réaction (2), de l'oxyde de carbone dégagé par la réaction (1), combustion qui améliore le rendement thermique de l'ensemble,et d'autre part le maintien d'une atmosphère légèrement réductrice de façon à éviter une trop grande consommation de la gaine 13 et un risque d'oxydation du métal en fusion. Le procédé permet de réaliser l'ensemble du traitement décarburation-désulfuration dès la fosse de coulée du haut fourneau, en débutant la réaction avant la fin de la coulée, ce qui donne un cycle très court entre le haut fourneau et l'utilisation ultérieure. I1 est ainsi possible de disposer d'une fonte décarburée et, mieux encore, désulfurée environ dix minutes après la fin de piquée du haut fourneau, ce qui donne au total un bilan thermique très acceptable. I1 faut noter encore que, grâce à l'orifice latéral 10 d'évacuation des fumées, qui sont abondantes lors du traitement, et grace à l'inclinaison de la paroi 11 du chapeau qui lui confère un rible de déflecteur, les gaz et fumées qui s'échappent sont dirigées dans une direction choisie en dehors de la zone de travail et ne gênant pas les opérateurs et surveillants. Dans la variante de la Fig. 2, que l'on utilise dans le cas où, pour une raison ou pour une autre, on omet l'opératice de désulfuration simultanée, on pratique la décarburation dans une poche munie d'une source extérieure de chaleur telle qu'un four à induction la par exemple; la source de chaleur, ici constituée par un inducteur 44 monté sur ie canal 45 du four, sert à compenser l'effet endothermique de la réaction en cause.Le four présente un bec de coulée 46 et son couvercle 8a est équipé, de la même façon que le chapeau 8 de la poche de la Fig. 1, d'une gaine 13a et d'une lance 14a qui est suspendue à une potence non représentée et analogue à celie de la Fig. 1 et est associée à un circuit dgalimentatim et de recyclage d'anhydride carbonique également non représenté et analogue à celui de la Fig. 1. Des essais effectués par ailleurs en laboratoire, donc dans des conditions beaucoup plus rigoureuses, ont donné une variation moyenne du silicium qui est nulle : sur neuf essais, les va rations sont les suivantes exprimées en % de Si: + 0,030 1 + 0,020 2 ; 0,010 1 C 1 0,010 L 2 - 0:020 1 - 0,040 1 Ces essais étaient limités à une décarburation sous désulfuration. L'invention trouve une application avantageuse dans la écarburation des fontes de moulage pour centrifugation. REVENDICATIONS 1.- Procédé de décarburation de la fonte, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans la fonte en fusion de l'anhydride carbonique pur. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit l'anhydride carbonique pur dans un bain de fonte sortant d'un haut fourneau. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on utilise de l'anhydride carbonique liquide. 4.- Procédé suivant la revendication 3,caractérisé en ce qu'on introduit l'anhydride carbonique liquide à l'aide d'une lance d'injection que l'on plonge dans la tonte en fusion. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, avant de plonger la lance dans la fonte en fusion et d'introduire l'anhydride carbonique dans cette fonte, on soumet la lance d'injection à un refroidissement énergique. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'on refroidit la lance par circulation dans celle-ci d'un courant d'anhydride carbonique liquide, jusqu'au givrage. 7.- Procédé suivant l'une quelconque deslEvendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on introduit l'anhydride carbonique dans la fonte en fusion en présence d'une source de chaleur extérieure. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, simultanément à l'introduction d'anhydride carbonique pur dans la fonte en fusion, on brûle l'oxyde de carbone dégagé par la décarburation résultante, à l'aide d'un oxydant. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on effectue simultanément une désulfuration partielle de la fonte. 10.- Installation permettant la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une poche (1, la) présentant d'une part une ouverture de remplissage (3, 46), une ouverture d'écoulement (4, 46) et un orifice d'échappement de gaz (10, 46) et d'autre part un orifice (12) traversé par un dispositif (14, 14a) d'introduction d'anhydride carbonique. 11.- Installation suivant laleveneication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (13, 13a) d'introduction d'un oxydant. 12.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que le dispositif d'introductjon d'anhydride carbonique comprend une Ence (14, 14a) qui traverse la partie supérieure (8, 8a) de la poche et dont l'extrémité inférieure peut être amenée au fond de la poche (1, la). 13.- Installation suivant la revendication 12 lorsqu'elle dépend de la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens d'introduction d'un oxydant sont constitués par une gaine (13, 13a) qui traverse également la partie supérieure (8, 8a) de la poche et entoure la lance (14, 14a). 14.- Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la partie (t6) de la gaine (13, 13a) intérieure à la poche (1, la) présente un revêtement intérieur réfractaire (22). 15.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une lance (38) d'insufflation de gaz oxydant et de mélange désulfurant.