Brevet FR2225524A1 — publié le 19741108

L'invention concerne un procédé de production d'acier de qualité, c'est-à-dire d'un acier produit par affinage d'une matièrepremière obtenue par réduction directe de minerai. L'acier est produit actuellement presque exclusivement par voie indirecte, c'est-à-dire par l'intermédiaire de la fonte. La fabrication dite directe d'acier donne un produit riche en fer. Le métal obtenu n'est pas de l'acier achevé et doit subir un traitement complémentaire. En général, le procédé de réduction directe donne de ltéponge de fer qui est une matière de départ excellente pour la production de l'acier. Le produit, de la réduction directe -en général de ltéponge de fer' ou des boulettes de matière granulaire fine - est envoyé en général à l'aciérie pour y être mis en fusion au haut-fourneau. Le travail métallurgique devant encore etre exécuté est effectué dans le cadre de la fusion du bain au four. Le processus se compose donc du chargement, de la fusion du bain au four, de l'affinage, du décrassage, de la désoxydation, de la désulfuration et de l'alliage. La conduite générale de la fusion. du bain au four est compliquée et en particulier elle exige de nombreuses opérations effectuées sur le laitier. L'invention a pour objet un procédé de production directe d'acier de qualité à partir de minerai et/ou d'une autre ma tière produite par réduction directe, le travail métallurgique nécessaire pouvant & re réalisé de manière simple et la qualité de l'acier étant améliorée. L'invention se caractérise par la combinaison suivante des étapes du processus 1.1 Production d'une matière première riche en fer par réduction directe, 1.2 Fusion du bain et réduction finale simultanée de la matière première au four électrique, de préférence en utilisant sa chaleur de réduction, 1.3 Transfert du bain dans une poche de traitement et traitement métallurgique sous vide à une température réglée en fonction du travail métallurgique, le cas échéant avec apport de chaleur, 1.4 Injection dans le bain, pendant le traitement sous vide, de gaz ou vapeurs inertes et/ou réactifs le cas échéant simplement de refroidissement et, 1.5 Coulée du métal terminé directement de la poche de traitement. La combinaison des phases de ce processus facilite notablement le travail métallurgique et donne un acier de particulièrement bonne qualité qui est un produit direct du processus, Le travail métallurgique est effectué d'après le procédé de l'invention dans le cadre du traitement sous vide du bain à l'aide de gaz inertes ou réducteurs ou oxydants, individuellement ou en combinaison et, le cas échéant, à l'aide de produits solides uniformément répartis dans le gas inln:fflé dans le bain afin de le désulfurer, déphosphorer, décarburer, dReox > der, allier ou refroidir. La seule opération exécutée au four électrique consiste essentiellement en la fusion de la matière première produite par réduction directe. Ce four peut être à arc ou à induction, ce dernier ayant l'avantage sur le four à are normalement mis en oeuvre de mieux utiliser l'énergie électrique et de plus de permettre d'extraire -le bain par le bas et donc d'éviter d'avoir à le basculer et en conséquence de faire subir des contraintes mécaniques et thermiques au garnissage réfractaire. Par ailleurs, la fusion du bain peut s'exécuter pratiquement sans traitement du laitier, les pertes de chaleur étant ainsi diminuées et la vie du garnissage réfractaire étant prolongée. Le transfert du bain s'effectue de préférence dans une poche de coulée dont le fond comporte un obturateur à glissière et qui comprend au moins une brique de fond et/ou une lance dirigée sur la surface du bain et destinée à ltinsufflation de gaz ou vapeurs, ainsi que, le cas échéant, de matières solides à granulométrie très fine. La poche est alors celle utilisée pour le traitement sous vide. Les différents fluides peuvent être introduits par les briques perméables du fond de la poche dont les dimensions des pores constituant des canaux doivent etre calculées d'après la granulométrie des matières solides devant etre introduites par insufflation dans le bain pour son traitement. Les réactions métallurgiques peuvent être produites par introduction dans le bain de gaz réducteurs, oxydants ou inertes par les briques du fond de la poche. Il est possible ainsi par exemple d'exécuter un affinage par insufflation d'-oxygèlle à travers le bain. La réactivité est extrmement forte dans ce cas. Donc selon une autre particularité avantageuse de l'invention des gaz ou vapeurs de refroi dissemen-t sont dirigés et répartis sur le bain entour des gaz ou planeurs pénétrant centralement par au moins une brique de fond, l'agent de refroidissement ponvant & re en particulier un gaz inerte, de la vapeur dteau ou de la vapeur d'huile. L'expérience a montré qu'il est avantageux d'insuffler une combinaison de gaz dans le bain Le mélange d'oxygène et d'argon permet de régler de manière simple l'intensité de la réaction. Des matières solides à granulométrie très fine peuvent & re introduites dans le bain, conformément à l'invention, avec le gaz ou le mélange de gaz. Il peut s'agir en particulier de chaux ou autres agents de déphosphoration et de-désulfuration,de poudres métalliques ou d'autres composants d'alliage, d'agents de désoxydation, et autres. Le broyage des matières solides à la granulométrie voulue est particulièrement utile. Ces matières ont alors une grande surface et assurent une réaction très rapide et intense. La réaction peut être extrêmement bien commandée, car le maintien du vide au-dessus du bain assure l'évacuation permanente des produits gênants de réaction. La granulométrie des particules est de préférence au maximum d'environ 100 p. Le type adopté de la réaction, qui peut Qtre neutre, oxydante ou réductrice, s'obtient sans grande difficulté par le choix du gaz auquel sont ajoutées des.particules très fines de matières solides, le type de réaction étant indépendant du réglage du laitier et de l'atmosphère du four. Il s'agit donc dans le cadre de l'invention d'un type nouveau de métallurgie donnant des résultats qui sont surpernants par leur qualité grâce à la réactivité inhabituellement forte des gaz et des poudres ainsi qu'aux effets de tourbillonnement et à la dépression. L'évacuation rapide des gaz de réaction dans l'installation sous vide évite toute tendance à l'inversion des réactions. L'exécution du travail métallurgique sous vide et sous fort tourbillonnement a pour effet que la réaction se déroule dans des conditions favorables et que la transfoiination est pratiquement complète dans le temps disponible. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé décrit de production d'acier de qualité comprend un dispositif de réduc- tion direct, un four électrique, une installatioei ds traitement sous vide et une installation de coulée. Le four électrique est à arc ou à induction, l'installation de traitement sous vide est de préférence une installation de dégazage en poche et l'installation de coulée est de préférence à coulée continue.Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention destiné à faciliter 11 exécution des traitements métallurgiques, le récipient de traitement sous vide est une poche dont le fond comporte au moins une brique perméable dont les pores cons- tituant les canaux laissent passer des particules de matière solide, éventuellement réparties dans le courant gazeux, dont la granulométrie est au maximum d'environ 100 p. L'installation sous vide peut comprendre un dispositif de chauffage auxiliaire par arc électrique ou par bradeur à plasma. La description suivante d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de ltinvention permettra de mieux faire comprendre cette dernière sans toutefois la limiter. Les minerais nécessaires à la production de l'acier sont métallisés par réduction directe. La matière première produite par réduction directe donne un acier de meilleure qualité que les riblons car elle contient peu ou pas d'impuretés nuisibles à l'acier telles que le cuivre et l'étain. En général, la teneur en soufre et en phosphore de la matière première Produite par réduction directe est aussi plus faible que celle produite par des riblons. Cette matière première donne aussi de meilleurs résultats que la fonte d'affirage.L'ex- traction de 3 à 4 %, de carbone et d'autres impuretés par affinage nécessite un très grand appareillage. Les avantages de la réduction directe sont très nets.Ils ne peuvent toutefois Entre pleinement utilisés que lorsaue les traitements ultérieurs de la matière première sont intégrés en un système optimal par réunion fonctionnelle des différentes étapes du processus. Un facteur important est le type et l'état du minerai. Un mirerai contenant une grande quantité de gangue, par exemple supérieure à 6 %, doit etre broyé avant réduction et la gangue doit en & re pratiquement éliminée. Les quantités de scories en sont diminuées lors du traitement ultérieur, ce facteul constituant un avantage lors de la fusion du bain au four. lorsque le minerai est broyé ou en petites particules, la suite du traitement peut s'effectuer sans agglomération préalable. Le procédé de réduction direct devant etre adopté parmi ceux qui sont collnus doit permettre le traitement de- petites particules. En générale les particules de minerai réduit conservent leur forme, de sorte que la granulométrie de l'éponge de fer produite par réduction directe est la même que celle du minerai ou éventuellement des boulettes. Il faut éviter d'avoir à exécuter une mise en boulettes après la réduction directe pour le traitement ultérieur, car ce processus est inutile pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le taux de métallisation -qui correspond à la teneur en oxygène de l'éponge de fer- résultant de la réduction directe est fonction du type de procédé utilisé pour l'exécution de cette derniers et de sa conduite particqslière. Un taux avantageux de métallisation auquel il est préférable de tendre est d'environ 90 %. La réduction finale peut ensuite Qtre exécutée dans un four à arc. Les teneurs en carbone de la matière première produite par réduction directe sont normalement comprises entre 0,2 et 0,5 . Lors de l'étape suivante consistant en la fusion de la matière première au four électrique, ce carbone est utilisé pour l'élimination de l'oxygène résiduel ; le travail du bain permet une meilleure utilisation de l'énergie et épargne le garnissage réfractaire du four. La fusion du bain au four électrique est de préférence exécutée en continu, la température du bain étant d'environ 400C supérieure à -celle de la ligne du liquidus de l'alliage correspondant fer-carbone du diagramme d'état de cet alliage. Le minerai métallisé par réduction directe est chargé soit par le couvercle, entre les électrodes du four à arc, soit par le côté au moyen d'un dispositif de projection. La vitesse de chargement de ltéponge de fer est fonction de la puissance utilisée pour la mise en fusion.Il faut qu'un fond représentant 15 à 30 ffi de la -contenance du four reste dans ce dernier. Ce fond peut entre produit avantageusement au moyen de riblons. L'éponge de fer est envoyée dans le four électrique à sa température de réduction d'environ 800oC. L'économie ainsi réalisée dépasse 200 kiM/t et l'usure des électrodes est réduite. Le temps de mise en fusion diminue aussi notablement. Le four électrique permet tant ce type de chargement doit comprendre un couvercle fixe. La réduction finalé de l'éponge de fer a lieu pendant la mise en-fusion par réaction avec le carbone. Lorsque ia teneur en carbone est trop forte, il est possible d'exécuter ui-r traitement d'affinage à ce stade du processus. Il est-particulièrement rentable d'utiliser un four à arc d'extrtmement grande puissance pour la mise en oeuvre de ce procédé. Toutefois, l'acier ne doit pas être achevé dans le four, car la grande puissance des transfornateurs ne serait que très partiellement utilisée et le traitement métallurgique sous vide donne un acier meilleur. Le four à arc peut aussi titre remplacé pour la mise en fusion de la matière première par un four à induction, de préférence sans noyau. Ce type de four est avantageusement utilisable lorsque l'éponge de fer devant être traitée est en particules fines. Un guide en céramique envoie directement les particules chaudes dans le bain liquide et il faut donc qu'il reste toujours un fond dans le four. Le four à induction a par ailleurs l'avantage que la totalité de l'éner- gie est directement absorbée par le bain et donc qu'il nty a aucune perte par rayonnement.Il est très particulièrement avantageux d'utiliser un four à induction dont le trou de coulée se trouve à la partie infé- rieure, de manière qutil ne soit pas nécessaire de faire basculer le four et donc de prévoir un mécanisme correspondant. Les particules d'éponge de fer fondent rapidement aussi bien au four à arc qu'au four à induction lorsqu'elles migrent à travers la couche liquide de laitier flottant à la surfzce du fond ou du bain. Un facteur particulièrement avantageux est qutaucune agglomération ne peut ainsi se produire. Par ailleurs, des compositions calculées en conséquence du laitier peuvent produire des réactions avantageuses. Le traitement métallurgique proprement dit s'effectue cependant sots vide. L'acier liquide préaffiné est coulé après fusion dans une poche qui assume toutes les fonctions de poche de transfert, de récipient de traitement et de poche de coulée. La poche ne comporte pas de quenouille classique, mais son fond comporte un obturateur à glissière ainsi qu'au moins une brique destinée à l'injection de gaz ou vapeurs dans le bain. La poche remplie d'acier est transportée dans une chambre dans laquelle elle est mise en dépression. Du gaz inerte est injecté simultanément par les briques du fond pour la mise en mouvement du bain. Lorsque la teneur en carbone est trop élevée et en particulier les aciers devant êtrc produite doivent avoir une faible teneur en carbone, il est possible d'injecter de ltoXrgène à la surface du bain au moyen d'une lance. Il est remarquable que la mise sous vide accentue la décarburation alors que les processus d'oxydation du fer et des autres impuretés bien sont pas modifiés. Il est aussi possible d'injecter de l'oxygène par la ou les briques du fond afin de déclencher un processus d'affinage. L'oxygène tra7erse en tres petites bulles le bain de la poche. La brique réfractaire du fond peut être refroidie par un gaz inerte de la vapeur d'eau ou de la vapeur d'huile. Il est avantageux que l'acier n'ait pas à être surchauffé dans le four de fusion. Si la poche ne reste pas à la température nécessaire au travail métallurgique sous vide, il est possible de compenser cette chute de température par un arc électrique ou un bradeur à piasma. La chambre de mise sous vide comporte des dispositifs d'arrivée d'agents de désoxydation et d'alliage. Des alliages spéciaux à forte affinité pour l'oxygène peuvent être additionnés sans perte sous vide. Il faut mentionner finalement qu'il est possible d'utiliser un laitier chaud réactif pour l'amorçage de certaines réactions. Une particularité essentielle du procédé de l'invention est toutefois l'addition prévue pendant le traitement sous vide de matières solides en très potites particules qui sont des agents de désulfuration, déphosphoration, décarburation, désoxydation, d'alliaga ou de refroidissement. Ces agents sont connu et ntont pas à entre énumérés. A la fin du traitement métallurgique sous vide, la poche est enlevée de la chambre de mise sous vide et l'acier bien mélangé en est coulé. Ce processus s'effectue de préférence dans une installation de coulée continue Pour pouvoir effectuer la coulée en continu, un nouveau bain doit entre disponible approximativement toutes les heures, car sinon des phénomènes de déshomogéneisation et des réactions pourraient apparaître dans la poche. Le procédé de production d'acier de qualité selon l'invention croit entre mis en oeuvre de manière qutun bain soit disponible approximativement toutes les heures. Les avantages de l'ensemble du procédé de 1'Fnvention sont les suivants 1. L'acier contient très peu dtiL-epuretés nuisibles ; 2. Le travail d'affinage est moindre que lorsque la matière première est de la fonte d'affinage ; 3 La gangue entant pratiquement climinée avant la mise en fusion au four, la quantité de laitier est réduite 4. Il n'est pas nécessaire d'agglomérer les petites particules de minerai avant la réduction 5. Taux très rentable de réduction (qui n'est que d'environ 90 0 6. Aucune mise en boulette de l'éponge de fer en petites particules avant la fusion au four 7.La fusion de l'éponge de fer s'effectue à sa température de réduction, de sorte que ltéconomie porte non seulement sur la chaleur, mais aussi sur les h-eures de four 8. Fusion continue du bain au four avec réduction finale simultanée 9. La couverture bouillante de laitier améliore le transfert d'énergie électrique du four à arc, car elle constitue une protection contre le rayonnement; 10. Le chargement des petites particules à travers le laitier évite le frittage ; 11. Utilisation totale de la forte puissance du transformateur s 12. La poche réunit des fonctions de poche de transfert, de récipient de traitement et de poche de coulée 13. L'affinage estroalisé sans qu'il soit nécessaire d'incliner la poche de traitement comme dans le cas des convertisseurs; 14.Déroulement extrtment intense et polyvalent de la réaction grâce au laitier bouillant d'affinage placé sous vide ; 15. La désoxydation steffectue sous vide 16. Le processus métallurgique utilisé fait appel à des particules très petites et au gaz ; 17. La teneur en gaz de l'acier terminé est faible 18. Forte réduction des heures de four, car le travail métallurgique s'effectue à l'extérieur de c dernier 19. Faible gêne par dégagement de poussière et rayon neigent thermique 20. Coulée continue, car les séquences de fusion ont a-ci des. Il va de soi que lc prccéd' décrit et représenté yeut-subir diverses modifications, sans sortir du cadre dc l'invention. REVEIDICATIOITS 1. Procédé de production d'acier de qualité à partir d'unie matière première obtenue par réduction directe de minerai , caractérisé par la combinaison des étapes suivantes : production d'une matière première riche en fer par réduction directe, fusion avec réduction finale de la matière première au four électrique, avantageusement en utilisant la chaleur conservée dans la matière première - à la fin de la réduction directe, transfert du bain dans une poche de traitement métallurgique sous un vide réglé en fonction du travail métallurgique, le cas échéant avec apport de chaleur pendant le traitement sous vide, injection de gaz ou vapeurs inertes et, le cas échéant ou réactif, éventuellement aussi de refroidissement,dans le bain pendant le traitement sous vide et coulée de l'acier terminé directement de la poche de traitement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bain est transféré dans une poche dont le fond comporte un obturateur coulissant ainsi qu'au moins une brique perméable aux gaz, la poche pouvant aussi comporter en variante ou accessoirement une lance orientée sur la surface du bain et destinée à l'injection de gaz ou de vapeurs. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bain est additionné pendant le traitement sous vide de très petites particules solides de désulfuration, dephospho- ration, décarburation, désoxydation, d'alliage ou de refroidissement. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les particules solides sont insufflées dans le bain dans le courant gazeux utilisé comme courant vecteur. 5. Procédé selon ltune quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les très fines particules solides sont injectées dans le bain par la ou les briques du fond de la poche et les gaz ou vapeurs de refroidissement sont injectés en étant répartis autour des gaz ou vapeurs amenés centralement par la ou les briques du fond. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé enece que le refroidissement est produit par un gaz inerte, en particulier de l'argon, de la vapeur d'eau ou de la vapeur d'huile. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par Ull chal-ffage électrique auxiliaire produit pen dant le traitement thermique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7; caractérisé par l'utilisation d'un mélange gazeux d'argon et d'oxygène.