Brevet FR2219975A1 — publié le 19740927

La présente invention est relative à un procédé dXaffi- nage de la fonte dans un convertisseur où lon souffle un gaz oxydant, par exemple de l'oxygéne industriellement purO I1 existe déjà de nombreux procédés particuliers permettant une certaine suveillance d'une opération d affinage de la fonte en fonction de l'évolution de l'un ou lttautre facteur caractéristique de cette opération. sur l'observation du spectre d'émission de la flamme du convertisseur, sur l'observation du spectre sonore de la conversion de la fonte, sur les analyses des gaz sortant du convertisseur, etc...A partir de ces observations ou analyses, on peut, grace à ces méthodes, en modifiant dans le sens adéquat l'une o l'autre des conditions dtaffinage, faciliter le maintien des grandeurs observées entre des limites qu'elles ne peuvent dépasser sans compromettre le déroulement correct de ltaffi- nageo Des résultats tres satisfaisants ont été obtenus avec ces procédés, mais certains d'entre eux tels que, par exemple, ceux basés sur ltanalyse des gaz, se sont révélés de mise en oeuvre difficile parce qu'une telle analyse demande beaucoup de temps et se prête difficilement à l'automatisation, tandis que d'autres ne sont liés qu'imparfaitement à ltévolu- tion des réactions d'affinaOea La présente invention a pour objet un procédé permettant de remédier à ces inconvénients Le procédé, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprénd les étapes suivantes a) on mesure, de préférence en continu, la quantité d'oxygène soufflé dans le convertisseur, b) on déter.nine, de préférence en continu, le débit (DC02) du gaz C02 sortant du convertisseur, c) on détermine, de préférence en continu, la teneur (|CO|c) en GO des gaz sortant du convertisseur, d) on détermine la vitesse de décarburation du bain métallique, par exemple en effectuant si nécessaire une analyse (Go, CO2, 02) et une mesure du débit des gaz traversant la hotte collectrice, e) on détermine, de préférence en continu, les valeurs du facteur XF dit "taux de GO dans le convertisseur " : |@@|c X F = |CO|c +|CO2| c où |CO|c et(0021c représentent les teneurs en GO et en C02 des gaz sortant du convertisseur, f) à l'aide de ces quatre éléments :DCO2, |CO|c,vitesse de décarburation du bain métallique,et XF, on détermine en continu les grandeurs suivantes - la quantité oxygène qui se fixe sur le carbone du bain métallique, - la quantité oxygène qui se fixe sur la scorie, - l'état de la combustion du GO en C02 dans le convertisseur et on réagit sur les grandeurs dtaction : matières ajoutées, hauteur de lance et débit oxygène pour éliminer rapidement tout écart desdites grandeurs déterminées par rapport à des consignes prédéterminées en fonction de la qualité d'acier voulue et de la productivité de lgopération d'affinage. Une première modalité avantageuse de l'invention consiste à déterminer le débit (DCO2) du gaz C02 sortant du convertisseur en mesurant l'énergie lumineuse provenant de ce convertisseur. Une autre modalité avantageuse de ltinvention consisté à déterminer la teneur en GO des gaz sortant du convertisseur en mesurant lténergie lumineuse provenant de ce convertisseur. La précision de tels capteurs dits à réponse rapide est inférieure à celle d'un analyseur de gaz, mais elle permet néanmoins d'obtenir des résultats satisfaisants pour assurer le contrôle et la régulation de ltopératSon dtaffinageO Dans le but d'allier les avantages des capteurs à réponse rapide de l'intensité du son et de lténergie lumineuse provenant du convertisseur, à la précision élevée de l'analy- seur de gaz, on corrige avantageusement, suivant ltinvention, les écarts éventuels présentés par les mesures effectuées au moyen de ces capteurs à réponse rapide, par des analyses de gaz effectuées en continu ou à certains moments judicieusement choisis au cours de l'affinage. La détermination du facteur XF généralement appelé par les aciéristes : "taux de GO dans le convertisseur" a été faite jusqu'a présent sur la base d'une analyse des gaz contenus dans le convertisseur0 Nais, comme déjà dit plus haut, cette méthode présente les inconvénients de demander beaucoup de temps et de se prêter difficilement à l'automatisation avec, pour conséquence, une détermination trop lente et discontinue du facteur X Fo La détermination du facteur X F, suivant ltinven- tion, résulte des observations suivantes faites par le demandeur sur un convertisseur de 160 tonnes dans lequel on affine une fonte phosphoreuse avec soufflage d'oxygène industriellement pur.Ce convertisseur est surmonté d'une hotte collectrice des gaz sortant du convertisseur. Dans le cas où il n'y a que du CO et du CO2 dans le convertisseur, on effectue une détermination de la teneur en CO des gaz contenus dans le convertisseur0 Sachant que |CO|c + |CO2|c = 100% (1) on en déduit aisément |CO2|c et partant, le facteur X F. La quantité totale de carbone sortant du convertisseur sous forme de CO et C02 traverse la hotte et la loi de conservation du carbone stexprime par la relation suivante ||CO|c + |CO2|c| x (DG)c = ||CO|H + |CO2|H| x DF (2) où |CO|c et |CO2|c representent les teneurs en CO et CO2des gaz contenus dans le convertisseur (DG)c représente le débit des gaz sortant du con vertisseur |CO|H et |CO2|H représentent les teneurs en CO et C02 des fumées traversant la hotte, DF représente le débit des fumées traversant @ la hotte. Mais on a pu constater la présence d'une certaine quantité d'hydrogène dans le convertisseur et notamment au cours de la seconde phase, la teneur en H2 des gaz contenus dans le convertisseur peut atteindre 300 on doit dès lors remplacer la relation (2) donnée ci-dessus par la relatinn |CO|c + |CO2|c + |H2|c = 100 % (3) Dans ce cas, on procède de la façon suivante 1) on détermine |CO|c, c'est-à-dire la teneur en CO des gaz contenus dans le convertisseur, 2) on détermine DCO2, c'est-à-dire le débit du gaz C02 sortant du convertisseur, 3) on détermine le second membre de la relation (1), ctest-à-dire l'expression ||CO|c + |CO2|c|x DF au moyen d'une analyse des gaz traversant la hotte et d'une mesure du débit de ces memes gaz. 4) Etant donné que sur la base de ces mesures et de la relation DCO2 =|CO2|c x (DG)C, le seul terme inconnu de la relation (1) est |CO|c x (DG)c dont on connait |CO|c, il suffit de résoudre cette équation (1) par rapport à (DG)c pour connaitre la valeur du débit des gaz sortant du convertisseur0 5) Connaissant le débit (DG)c des gaz sortant du convertisseur et le débit DC02 du gaz C02 sortant du convertisseur, on peut en déduire aisément |CO2|c;;c'est-à-dire la teneur en C02 des gaz contenus dans le convertisseur0 6) Connaissant les teneurs en CO et en GO des gaz contenus 2 dans le convertisseur, on calcule le facteur |CO|c XF = |CO|c + |CO2|c Dans le cas où il y a de l?hydrogène dans le convertisseur, on peut en avoir une détermination quantitative à laide de la relation (3), puisque lton connait 1GO1c et |CO2|c. Sur la base de llhypothése qui a été vérifiée par le demandeur, que cet hydrogène provient toujours d'une dissociation d'eau dans le convertisseur, cette eau pouvant, par exemple, provenir de matières ajoutées ou d'un défaut dlétan- chéité du circuit de refroidissement de la hotte, on peut calculer le débit et la quantité d'eau correspondant au débit et à la quantité d'hydrogène déterminée précédemment au moyen de l'expression (DH2)c = (DG) x|H2|c. Cette quantité d'eau apporte également de oxygène dans le convertisseur (H2O#H2 + 1/2 02) et cet oxygène peut se fixer soit sur le carbone du bain métallique, soit sur la scorie ce qui est une cause d'erreur dans les bilans quand on ne tient pas compte de cet oxygène supplémentaire, erreur pouvant atteindre 5 relatifs, c'est-à-dire non négligeable0 I1 est donc intéressant de pouvoir déterminer rapidement cette quantité dghydrogène contenue dans le convertisseur, ce qui est aisément réalisable à laide de la relation (3), comme dit ci-dessusO Le demandeur a également constaté qutil est possible de déterminer la destination (vers le carbone du bain ou la scorie) de oxygène produit par la dissociation de l'eau dans le convertisseur, au moyen des capteurs rapides de mesure de l'intensité du son et de l'énergie lumineuse provenant du convertisseur, ainsi que par le calcul du facteur X F. Au cours d'une première charge affinée avec soufflage oxygène par le haut dans un convertisseur à fond plein, on a introduit des pailles de laminoir et on a constaté une brusque augmentation de la quantité d'hydrogène dans les gaz contenus dans le convertisseur. On a vérifié par analyse que l'oxygène correspondant à cet hydrogène s'est fixé sur la scorie et d'autre part,on on a contaté que le capteur de mesure du son indiquait à ce moment une diminution marquée de l'iftensité sonore Donc la mesure du son permet de préciser la destination de oxygène correspondant à lthydrogène contenu dans le convertisseur, Au cours dtune autre charge affinée de la même façon, avec augmentation brusque de la quantité dthydrogène dans le convertisseur, on a vérifié par analyse que l'oxygène correspondant à cet hydrogène stest fixé sur le carbone du bain métal lequel Le capteur rapide de mesure de l'énergie lumineuse provenant du convertisseur a indiqué à ce moment une brusque diminution, tandis que le capteur rapide de mesure du son ne révé lait pas de variation brusque. Ces indications montrent bien que l'oxygène s'est fixé sur le carbone du bain métallique et elles sont d'ailleurs confirmées par une brusque diminution du facteur X F au moment considéré0 Au cours de ses recherches, le demandeur a en outre constaté que, quand la vitesse de décarburation devient très faible, il se produit une combustion dans le convertisseur avec de l'oxygène provenant de l'air ambiant, ce qui est encore une cause d'erreur dans les bilans. Pour tenir compte d'une telle éventualité-, il faut remplacer la relation (3) par la suivante |CO|c + |CO2|c + |H2|c + |N2|c = 100 % (4) où N2 c représente ltazote provenant de l'air dont oxygène a été brûlé I1 devient dès lors impossible de déterminer le terme |H2|c comme précédemment puisque le termeIN2Ic constitue également une inconnue. Le demandeur a trouvé le moyen de résoudre ce problème à partir de la constatation qu'en-dessous d'un certain niveau de la vitesse de décarburation, par exemple 200 kg de carbone par minute dans le cas des charges examinées, il existe une relation entre la vitesse-de décarburation et la teneur ou le débit d'azote présent dans le convertisseur0 I1 suffit dès lors de calculer cette vitesse de décarburation, par exemple au moyen d'une analyse des gaz traversant la hotte (CO, CO , 02) et d'une mesure de leur débit d'utiliser la relation précitée pour connaitre le terme |N2|c dQ la relation (4). Le demandeur a également pu constater que, quand la vitesse de décarburation est faible, par exemple inférieure à 100 kg de carbone par minute, une certaine quantité d'oxygène ne se fixe plus ni sur le carbone du bain métallique, ni sur la scorie, mais se retrouve telle quelle dans les gaz sortant du convertisseur0 Pour tenir compte de cette éventualité, on doit remplacer la relation (4) par la suivante |CO|c + |CO2|c + |H2|c + |N2|c + |O2|c = 100 % (5) L1 devient dès lors impossible de déterminer les termes |H2|c et |N2|c comme dit précédemment, puisque le terme |O2|c constitue une inconnue supplémentaire. Le demandeur a également trouvé le moyen de résoudre ce problème en se fondant sur la constatation qu'en-dessous d'un certain niveau de la vitesse de décarburation, par exemple 100 kg de carbone par minute dans le cas des charges examinées, il existe une relation entre la vitesse de décarburation et la quantité d'oxygène présente dans le convertisseur. I1 suffit dès lors de calculer cette vitesse de décarburation-et dtutiliser la relation précitée pour déterminer le terme |O2|c de la relation (5)o La présente invention, dans laquelle on détermine le débit DCO2, la teneur IGOL et le facteur XF et où l'on utilise à cet effet des capteurs à réponse rapide, notamment pour mesurer le son et l'énergie lumineuse provenant drun convertisseur, est applicable à tout procédé dans lequel on affine de la fonte avec soufflage d'un gaz oxydant (procédés LD, LD-AC, LD-KALDO, Thomas , OBM,...). Les indications quasi instantanées fournies par les capteurs préconisés permettent de mieux suivre les réactions métallurgiques en cours dtaffinage, d'établir des bilans plus précis et en définitive d'obtenir la composition deacier voulue avec des dispersions restreintes et de façon plus aisément reproductible0 REVENDICATIONS 10/ Procédé de contrôle de l'affinage de la fonte, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on mesure, de préférence en continu, la quantité oxygène soufflé dans le convertisseur, b) on détermine, de préférence en continu, le débit (DCO2) du gaz CO2 sortant du convertisseur, c) on détermine, de préférence en continu, la teneur |CO|c enCO des gaz sortant du convertisseur, d) on détermine la vitesse de décarburation du bain métallique, par exemple en effectuant si nécessaire une analyse (GO, CO2, 02) et une mesure du débit des gaz traversant la hotte colléctrice, e) on détermine, de préférence en continu, les valeurs du facteur X F dit "tauxde CO dans le convertisseur" lcolc XF = |CO|c + |CO2|c où |CO|c et |CO2|c représentent les teneurs en CO et en CO2 des gaz sortant du convertisseur, f) a l'aide de ces quatre éléments : DCO2, |CO|c, vitesse de décarburation du bain métallique, et XF, on détermine en continu les grandeurs suivantes - la quantité d'oxygène qui se fixe sur le carbone du bain métallique, - la quantité oxygène qui se fixe sur la scorie, - l'état de la combustion du CO en CO dans le convertisseur 2 et on réagit sur les grandeurs d'action : matières ajoutées, hauteur de lance et débit d'oxygène pour éliminer rapidement tout écart des dites grandeurs déterminées par rapport à des consignes prédéterminées en fonction de la qualité dtacier voulue et de la productivité de l'opération d'affinage. 20/ Procédé, suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que l'on détermine le débit (DCO2) du gaz CO sortant du convertisseur en mesutant ltintensité du son 2 provenant de ce convertisseur. 30/ Procédé suivant l,rune ou l'autre des revendications 1 et 2, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que lòn détermine la teneur en CO des gaz sortant du convertisseur en mesurant l'énergie lumineuse provenant de ce convertisseur. 40/ Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 2, 3 prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que lton détermine le débit (DCO2) du gaz C02 sortant du convertisseur en mesurant l'intensité du son provenant de ce convertisseur, au moyen d'un capteur approprié à réponse rapide, en ce que lton détermine la teneur |CO|c en CO des gaz sortant du convertisseur en mesurant l'énergie lumineuse provenant de ce convertisseur, au moyen d'un capteur approprié à réponse rapide, et en ce que l'on corrige les écarts éventuels présentés par les mesures effectuées au moyen de ces capteurs à réponse rapide, par des analyses de gaz effectues en continu ou à certains moments judicieusement choisis au cours de l'affinage. 5 / Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'on détermine le facteur X F de la façon suivante, dans le cas où il n'y a que du CO et du C02 dans le convertisseur on résout l'équation |CO|c + |CO2| c = 100 % (1) par rapport à l'inconnue |CO2|c puisque le terme |CO|c est connu par la mesure de l'énergié lumineuse provenant du convertisseur et on introduit les valeurs trouvées dans la relation XF = IGOL |CO|c +|CO2|c 60/ Procédé suivant l'une ou l'autre des revendi- cations I à 4, prise isolément, c a r a c t é ri s é en ce que l'on détermine le facteur X F de la façon suivante, dans le cas où il y a de lthydrogène dans les gaz sortant du convertisseur a) on détermine le second membre de la loi de conservation du carbone sous forme de CO et CO2 entre le convertisseur et la hotte collectrice desdits gaz ||CO|c + |CO2|c| x (DG)c =||CO|H + |CO2|H|x DF (2) b) on détermine le débit du gaz sortant du convertisseur par la relation (I) dont tous les autres termes sont connus, c) on détermine la teneur en CO2 des gaz sortant du convertisseur par la relation DG02 =|CO2|c |c x l > 0c d) on introduit les valeurs ainsi trouvées de |CO|c et |CO2|c dans la relation |CO|c XF = |CO|c + |CO2|c 70/ Procédé suivant la revendication 6, c a r a c t é r i s é en ce que, dans le cas où il y a de l'hydrogène dans les gaz sortant du convertisseur, on détermine cette quantité d'hydrogène à l'aide dtund par; de la loi (1) de conservation du carbone sous forme de CO et GO entre le convertisseur 2 et la hotte collectrice desdits gaz et dtautre part, d'une seconde relation |CO|c + |CO2|c + |H2|c = 100 % (3) ensuite, on détermine la quantité oxygène correspondant à cet hydrogene, en supposant que l'hydogène est fourni par de l'eau qui se dissocie dans le convertisseur (H2O-H2 + 1/2 02) et à lraide des indications fournies par les capteurs rapides de mesure du son et de l'énergie lumineuse provenant du convertisseur et éventuellement de celles fournies par le facteur X F, on détermine la destination de cet oxygène par rapport au carbone du bain métallique et à la scorie 80/ Procédé suivant 1-rune ou l'autre des revendications 1 à 4, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'on détermine le facteur X F de la façon suivante dans le cas où en plus de l'hydrogène, il y a aussi de l'azote dans le gaz sortant du convertisseur a) on établit la relation entre d'une part la vitesse de décar buration V et d'autre part la teneur ou le débit d'azote con c tenu dans les gaz sortant du convertisseur, et connaissant la valeur de V Vc, on déduit aisément de cette relation la valeur de |N2|c, ctest-à-dire de la teneur en azote desdits gaz sortant du convertisseur, b) a l'aide de la relation |CO|c + |CO2|c + |H2|c + |N2|c = 100 % (4) Où |N2|c représente l'azote provenant de l'air dont oxygène a été brûlé, et de la connaissance defN2ssc suivant a) ci-dessus, on retombe dans le cas de la relation (3) et on répète les opérations y relatives (revendication 7)o 90/ Procédé suivant ltune ou l'autre des revendications 1 à 4, c a r a c t é r i s é en ce que l'on détermine le facteur X F de la façon suivante, dans le cas où en plus de l'hydrogène et de ltazote, il y a aussi de lloxygèné dans les gaz sortant du convertisseur a) on établit la relation entre d'une part la vitesse de décarburation (Vc) et d'autre part la teneur ou le débit oxygène contenu dans le gaz sortant du convertisseur et connaissant la valeur de (Vc), on déduit aisément de cette relation la valeur de |O2|c, ctest-à-dire de la teneur en oxygène desdits gaz sortant du convertisseur, b) à ltaide de la relation |CO|c + |CO2|c + |N2|c + |O2|c = 100 % (5) et de la connaissance de |O2|c suivant a) ci-dessus, on retombe dans le cas de la relation (4) et on répète les opérations y relatives (revendication 8)o