Brevet FR2273873A1 — publié le 19760102

La présente invention se rapporte à un procédé et une installation d'affinage pour l'élaboration de l'acier, dans lesquels on souffle de l'oxygène sur la surface supérieure d'un bain fondu au moyen d'une lance. On connaît dJà un procédé industriel consistant à affiner de la fonte dans un convertissèur, suivant lequel 1'oxygène est soufflé de haut en bas sur la surface supdrieure du bain de métal contenu dans le convertisseur, au moyen d'une lance dont on peut régler la hauteur au-dessus de la surface du bain. Dans la mise en oeuvre industrielle de ce procédé il est extremement difficile d'obtenir un affinage régulier et constant, capable d'assurer la reproductibilit de l'analyse chimique et qui n'ait pas comme inconvénient des projections excessives (il s 'agit des. particules de laitier contenant du métal qui sont QjectBes du convertisseur).On a constaté qu'en raison de cet inconvénient il tétait pas possible dtobtenir en phase finale un bain répondant aux spécifications de composition et de température et que les pertes par projection et la formation d'une quantité excessive de laitier par oxydation du fer entrat naient une diminution de rendement. On estime que les principales causes des irrigularités du comportement de l'affinage sont dues à la stratification du bain fondu en couches qui diffèrent par leurs caract8ristiqnes physiques ou chimiques, notamment en ce qui concerne leur oxydation. L'écart par rapport à ltéquilibre entre le métal et le laitier est influencé par l'intensité de brassage mécanique des constituants du bain.Naturellement, ces problèmes varient avec le mode de soufflage, le type de ferraille, etc... et, dans les cas où on observe des zones tranquilles, la forte division en couches diffèrant par l'état d'oxydation du bain conduit à des décarburations violentes accompagnCes de projection. Pendant les périodes de pénurie de ferraille, il est fréquem ment nécessaire de mettre en oeuvre le procédé à 1'oxygène avec un taux de refroidissement par la ferraille inférieur au taux normal. et en utilisant du minerai de fer en remplacement de la ferraille. Cette pratique conduit à une fréquence de projection encore plus grande en raison de l'accentuation de l'état d'oxydation du laitier et, en pratique, ce facteur limite la quantité de matière que l'on peut utiliser en remplacement de la ferraille. En pratique, il est quelquefois souhaitable d'ajouter des oxydes métalliques tels que des oxydes de fer et de manganèse pour compléter l'action de la castine et la quantité de ces additions ainsi que le mode dtintro- duction de ces additions doivent être exactement calculés, faute de quoi leur influence sur l'état physique et/ou la composition chimique du laitier aurait un effet défavorable sur les projections, ctest à dire ltéJection de métal fondu et de laitier, ou encore sur le comportement de la lance par solidification de particules métalliques projetées sur elle. Le procédé à l'oxygène mentionné plus haret. est ce que l'on peut appeler un traitement primaire et il est généralement appliqué pour la production d'acier ordinaire. Dans la fabrication des aciers alliés, il est habituel de procéder à un affinage secondaire tel qu'un traitement de décarburation par l'argon-oxygène, dans lequel on introduit de l'oxygène et de l'argon à travers une tuyère coaxiale placée à la base de la cuve d'affinage secondaire ou, en variante un procédé à l'oxygène-vapeur d'eau qui est analogue au procédé de décarburation à l'argon-oxygène, sauf que l'argon est remplacé par la vapeur d'eau.Ces procédés d'affinage secondaire sont généralement appliqués en combinaison avec une cuve dtaffinage primaire telle qu'un four à arc., qui fournit un métal chaud à haute teneur en chrome et haute teneur en carbone qui est destiné à Outre décarbure ensuite dans la cuve d'affinage secondaire, le but de l'affinage secondaire dans la fabrication des aciers alliés étant d'éliminer le carbone sous la forme dtoXydos de carbone tout en diminuant le plus possible le transformation du chrome en laitier par oxydation.On peut également noter qu'un fer à haute teneur en chrome tel que celui qui peut être fourni par le haut fourneau ne serait généralement pas bien approprié pour Entre affiné par le procédé d'affinage secondaire mentionné pus haut, d'autant plus qu'il serait nécessaire de fournir un débit d'oxygène excessivement élevé pour éliminer le carbone. Les problèmes posés par la mise en oeuvre de l'affinage sêcon- daire par le procédé de décarburation à l'argon-oxygène comprennent l'obtention d'une durée de vie suffisante des tuyères et du réfrac taire et l'abaissement de la consommation d'argon tout an conservant la voie de traitement économiquement fiable, qui comporte des- durées de cycles draffinage acceptables. Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, ces problèmes sont encore plus difficiles à résoudre lorsqu'on tente d'affiner un métal chaud à haute teneur en chrome sortant du haut fourneau qui contient des concentrations de carbone et de silicium beaucoup plus élevées que celles qu'on rencontre lorsque on traite un métal élaboré au four à arc. Le principal but de l'invention est de réaliser un procédé et une installation pour l'affinage du fer en vue de l'élaboration de l'acier, qui supprime ou atténue au moins certaines des difficultés mentionnées plus haut. Suivant un aspect, l'invention a pour objet un procédé d'affinage d'une charge de fer contenant du chrome dans un convertisseur pour la production d'un acier allié, dans~lequel on souffle de l'oxygène industriellement pur sur la surface d'un bain de métal contenu dans la cuve et on injecte un fluide dans le bain au fond ou dans la région inférieure du bain pour agiter ce bain pendant le soufflage d'oxygène par le haut. Le procédé peut également comporter la phase consistant à ajouter des oxydes métalliques au bain pendant le soufflage par le haut et par le fond et en particulier, ces oxydes peuvent - comprendre de 1' oxyde de chrome.Un avantage du pro cédé suivant l'invention consiste en ce qutil atténue partiellement les problèmes posés par l'usure des tuyères et du réfractaire, du fait que le temps de séjour du bain dans le convertisseur est réduit puisque le gaz soufflé par le haut peut être injecté à un débit environ quatre fois supérieur à celui qui est couramment utilisé dans l'industrie dans le procédé d'affinage secondaire comportant une décarburation-par I 1argon-oxygène, et en partie en raison de la modification des circuits de circulation du métal dans le con vertissar, L'introduction d'un oxyde de chrome en qualité de refroidis- seur pendant l'affinage de l'acier inoxydable permet à une partie du chrome ajouté de se dégager du laitier par réduction et de reprendre l'état de métal, ce qui améliore la rentabilité du procédé en abaissant la quantité de ferrochrome nécessaire aussi bien comme matière première que comme addition d'alliage à ajouter à l'acier inoxydable affiné. La charge peut comprendre du fer chromé tel que celui que l'on obtient comme produit de haut-fourneau sous la forme de fer chromé fondu. En variante, la charge peut etre constituée par un mélange de fonte brute, de ferrochrome et, facultativement d'autres éléments d'alliage. Le ferrochrome et les autres éléments d'alliage peuvent être introduits dans le convertisseur avant que la fonte y sont chargée sous la forme de métal chaud sortant du haut-fourneau ou, en variante, la total ou une partie du ferrochrome et les autres éléments d'alliage peuvent tre introduits dans le convertisseur au cours de l'affinage. Le soufflage d'oxygène par le haut peut être interrompu lorsque la proportion de carbone dans le bain a atteint une valeur intermédiaire prédéterminée., par exemple entre 0,25 et 1,3-46 de-C et que le laitier a été enlevé pour éliminer le laitier contenant du phospho- re. On peut également charger dans la cuve une quantité supplémentaire de ferrochrome et d'autres éléments d'alliage après cette opération intermédiaire d'élimination de laitier. On peut ensuite poursuivre l'affinage par soufflage d'oxygène par le haut couplé avec l'agitation du bain par un fluide injecté par le fond. Ce fluide d'agitation peut être inerte, oxydant ou réducteur, et il peut être constitué, par exemple par de l'argon, de l'azote de la-vapeur d'eau, de l'air, de l'hydrogène, du méthane, du propane, de l'oxyde de carbone, de l'anhydride carbonique ou une huile combustible, ces fluides pouvant être utilisés séparément ou en combinaison entre eux, ou encore en combinaison avec de l'oxygène injecté par le fond. On peut ajouter du ferrosilicium au bain après la phase de soufflage d'oxygène par le haut mais en même temps quton poursuit l'injection du fluide -par le fond pour l'agitation, pour réduire à. l'état métallique le chrome qui peut avoir été oxydé et transformé en laitier. Pour la production de certaines formules d'alliages, il peut être nécessaire d'apporter une quantité de chaleur supplémentaire au traitement qu'on vient de décrire en raison de la trop faible quantité de chaleur qui peut être apportée par les réactions d'oxydation. Dans ces cas, on peut ajouter au bain du carbure de silicium du carbure de calcium, du ferrosilicium ou d'autres sources gie telles que le carbone ou un hydrocarbure. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé décrit dans les paragraphes précédents, qui comprend un convertisseur destiné à contenir un bain du métal à affiner, une lance que l'on peut placer au-dessus du convertisseur pour souffler de l'oxygène pur sur la surface libre du bain métalli- que, et des moyens pour introduire un fluide au fond du bain ou dans la région adjacente au fond du bain. Ces moyens peuvent comprendre une ou plusieurs lances secondaires que l'on peut placer de manière qu'elles plongent dans le bain, et injectent le fluide au fond du bain ou dans la région adjacente au fond du bain, ou, en variante, ces moyens peuvent comprendre une ou plusieurs tuyères placées dans le fond du convertisseur ou à petite distance du fond.Ces tuyèrespeuvent Qtre constituées par de simples trous par lesquels on injecte un fluide ou mélange de fluides dans le bain, ou encore elles peuvent être constituées par des tuyères coaxiales ou multiaxiales par lesquelles on peut injecter dans le bain plusieurs fluides distincts. L'invention a encore pour objet un acier raffiné produit par le procédé ou au moyen de l'installation définie plus haut. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la-description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples -- la Fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un convertisseur métallurgique suivant l'invention ; - la Fig. 2 est une vue analogue à la Fig. 1 mais représentant une variante de construction du convertisseur. La Fig. 1 représente un convertisseur métallurgique 10 comprenant une enveloppe extérieure en acier et un revêtement intérieur réfractaire 12. Ce convertisseur présente une bouche supérieure circulaire 14 et un trou do coulée latéral 16. Une lance 18 plonge dans la bouche circulaire 14 et peut etre réglée en hauteur audessus du bain de métal 20 contenu dans le convertisseur, cette lance étant prévue pour souffler de l'oxygène industriellement pur sur la face supérieure du bain métallique 20. Un tube 22 traverse le fond du convertisseur pour introduire un fluide dans la partie inférieure du bain métallique 20, ce fluide s'élevant ensuite à travers le bain sous la forme d'un courant de bulles ayant pour effet d'agiter le bain pendant le soufflage d'oxygène par le haut, exécuté au moyen de la lance 18. Le tube 22 peut être remplacé éventuellement par une tuyère coaxiale ou multiaxiale, de manière à permettre d'introduire plusieurs fluides distincts dans le bain. On peut également utiliser en remplacement des tuyères un ou plusieurs bouchons poreux. Le convertisseur représenté sur la Fig. 2 est essentiellement analogue à celui décrit en regard de la Fig. 1 et on a utilisé les mêmes numéros de référence pour disignér les éléments équivalents. Toutefois, dans la construction decca Fig. 2, le fond du conver tisseur 10 est plein et le convertisseur est équipé d'une lance secondaire 26 comprenant un revêtement extérieur r8fractaire 28 qui entoure-au moins la partie de la lance qui plonge dans le bain. Dans cette construction, la lance secondaire 26 est disposée de manière à plonger dans le bain jusqu'à proximité de la couche inférieure de ce bain, de sorte qu'on peut introduire un fluide au niveau de la couche inférieure du bain ou dans la région de cette couche.inférieure et que ce fluide s'élue à travers le bain sous la forme d'un courant de bulles servant à agiter le bain. Dans la construction de la Fig. 2, il est visible que l'on peut prévoir une ou plusieurs lances secondaires 26 et que la lance ou chaque lance peut être de construction coaxiale ou multiaxiale et qu'on peut utiliser comme orifice de sortie de la lance secondaire un bouchon poreux. On donnera ci-après avec plus de détails divers exemples de procédés et d'installations à propos d'essais qui ont été exécutés dans un convertisseur métallurgique d'une tonne du type représenté sur la Fig. 1. Exemple 1. On charge 1270 kilogrammes de fer à haute teneur en chrome dans le convertisseur, le métal ayant pour composition initiale 2D68* C, 0,026% S, 0,67% Si, 0,82% Mn, 7,2% Ni et 16,9% Cr. On souffle de l'oxygène à un débit constant de 180 m3/h au moyen d'une lance refroidie par l'eau qui est dirigée vers la surface supérieure du métal en même temps que lton souffle de l'argon au moyen d'une tuyère simple de 6 millimètres de diamètre prévue dans le fond de la cuve. On ajoute 18 kilogrammes de chaux pendant les quelques premibres minutes de soufflage.On augmente le débit d'argon pendant la chauffe au fur et à mesure de la diminution de la vitesse de décarburation, laquelle est calculée à partir de l'analyse de la composition des gaz d'échappement et de la mesure du débit de ces gaz. Au début de la chauffe, le débit d'argon était de 20 m3/h tandis que, au bout de 18,7 minutes et alors que le pourcentage de carbone est de 0b32* C, on porte le débit d'argon à 30 m3/h. Après 20,6 minutes, le débit d'argon est porté à 60 m3/h, puis on cesse le soufflage d'oxygène par le haut au bout de 26,5 minutes, alors que la composition du métal du bain est de 0,05% C, 0012 S, 0,043% P, 0,04 Si, 0,26% Mn, 8,9%-Ni et 16,0% Cr. On ajoute ensuite 20 kilogrammes de Fe/Si et 3 kilogrammes de spath/fluor et on agite le bain par soufflage d'argon par le fond à un débit de 20 m3/h pendant une brève période sans soufflage d'oxygène par le haut pour réduire en métal une certaine proportion du chrome qui a été oxydé et transformé en laitier, cette pratique conduisant à une concen tration finale du chrome dans le métal de 16,2% Cr. Cet exemple démontre que l'agitation du bain par soufflage d'un gaz inerte par le fond tout en utilisant un soufflage d'oxygène par ie haut permet d'éliminer le carbone de l'acier inoxydable sous la forme d'oxyde de carbone avec le minimum de perte de chrome par oxydation et transformation en laitier. En fait, les quantités finales de chrome métal avant et après les périodes de réduction par le silicium sont supérieures à celles que l'on obtient dans des exemples types de traitement de décarburation par l'argon-oxygène ou l'oxygène-vapeur d'eau. Exemple 2. On charge 1280 kilogrammes de fer à haute teneur en chrome dans le convertisseur, le métal possédant comme composition initiale 3,03% C, 0,0019% S, 0,057% P, 0,57% Si, 0,88% Mn, 7,3% Ni et 16,8% Cr. On souffle de l'oxygène pur d'origine industrielle à un débit constant de 180 m3/h au moyen d'une lance refroidie par l'eau qui est dirigée vers la-surface supérieure du métal en même temps qu'on souffle de la vapeur d'eau préchauffée à 1300C au moyen d'une tuyère unique de 6 millimètres de diamètre prévue dans le fond du convertisseur. On ajoute 18 kilogrammes de chaux pendant les quelques premières minutes de soufflage.Au cours des phases initiales de soufflage, le débit de vapeur d'eau est de 13,6 kg/ht jusqu'à ce qu'on ait atteint, au bout de 20,8 minutes, une concentration du carbone dans le métal de o,4î% C.On porte ensuite débit de vapeur d'eau à 15,9kg/h et après un temps total de soufflage de 23,6 minutes, la concentration du carbone dans le métal a été ramenée à 0,11 C. À ce stade, on porte le débit de vapeur d'eau à '22,7 kg/h et après un temps total de traitement de 27,2 minutes, la composition du métal est 0,05% C, 0,038% S, 0,057% P, 0,06% Si, 0,32% Mn, 7,6% Ni et 15,6% Cr. En phase finale, on ajoute au bain 20 kilogrammes de Fe/Si et 3 kilogrammes de spath/fluor, le bain étant agité pendant 7,0 minutes par injection argon à un débit de 20 m /h sans soufflage d' oxygène par le haut, pour récupérer une nouvelle quantité de chrome du laitier. La composition finale du métal comporte une concentration de chrome de 16,1% Cr et une concentration de carbone de 0,03% c. Dans cet exemple, comme à.ltexemple 1, on a démontré que le carbone peut être éliminé sous la forme d'oxydes de carbone avec le minimum de perte de chrome sous la forme d'oxyde de chrome dans le laitier, ce résultat étant obtenu par le soufflage d'un gaz par le bas pour l'agitation, couplé à un soufflage d'oxygène par le haut. Ici également, les concentrations finales de chrome-métal avant et après les périodes de réduction par le silicium sont plus élevées que celles que l'on constate dans les procédés de décarbu- ration à l'argon-oxygène et à l'oxygène-vapeur d'eau. Dans les exemples 1 et 2, on a utilisé un débit d'oxygène de 2,4 m3/mn/tonne, alors que la première phase d'un procédé dé décarburation classique à l'argon/oxygène utilise normalement un débit d'oxygène de seulement 0,5 à 1,0 m3/mn/tonne et que la première phase d'un procédé de décarburat-ion classique à ltoxygène/vapeur d'eau utilise un débit d'oxygène de seulement 0,4 m3/mn/tonne. On obtient donc une diminution proportionnelle du temps d'affinage en appliquant le procédé suivant l'invention, au moins comparativement aux premières phases des procédés d'affinage secondaires déjà connus qui ont été mentionnés plus haut. D'autres essais exécutés à la suite de ceux qui sont décrits par les exemples 1 et 2 ont montré que l'on peut modifier le débit du fluide d'agitation injecté par le fond ainsi que sa composition pour réduire la perte de chrome dans le laitier au cours de l'affinage de l'acier inoxydable. On a également constaté que l1on peut ajouter du minerai de chrome ou d'autres oxydes métalliques en qualité de refroidisseur en conservant une récupération avantageuse du métal désiré dans l'acier affiné.Dans les exemples 1 et 2, on récupère une nouvelle quantité du chrome contenu dans le laitier gracie à l'agitation assurée par l'injection dè fluide dans la partie inférieure sans soufflage d'oxygène par le haut et on estime que l'on peut obtenir un nouvel abaissement de la teneur du métal en carbone par une autre phase finale qui comporte l'application de techniques classiques de décarburation à l'argon-oxygène ou à ltoxygène-vapeur d'eau sans soufflage d'oxygène par le haut. En général, on estime que le procédé d'agitation par le fluide injecté par le fond, couplé au soufflage d'oxygène par le haut peut étre utilisé avantageusement pour la production d'aciers alliés et que le fluide d'agitation introduit par le fond peut être inerte, oxydant ou réducteur et qu'il peut Qtre constitué, par exemple, par de l'argon, de l'azote, de la vapeur d'eau, de l'air, de l'hydrogène du méthane, du propane de l'oxyde de carbone, de l'anhydride carbonique ou une huile combustible, chacun de ces corps pouvant être utilisé isolément ou en combinaison avec d'autres ou encore en combinaison avec de l'oxygène soufflé par le fond. Les exemples 1 et 2 décrits dans le présent mémoire se rapportent à une charge initiale de fer à haute teneur en chrome mais le procédé est également applicable à une charge qui comprend un mélange de fonte brute, de ferrochrome, et facultativement, d'autres éléments d'alliages. Le procédé suivant l'invention constitue donc un moyen d'obtenir un acier allié affiné en une opération continue exécutée entièrement dans un meme convertisseur. - REVENDICATIONS 1 - Procédé pour produire un acier allié affiné, caractérisé en ce que pour affiner dans une cuve métallurgique une charge de fer contenant du chrome, on souffle de oxygène industriellement pur sur la surface supérieure d'un bain de métal contenu dans la cuve et on introduit un fluide à l'intérieur du bain au niveau de la couche inférieure de ce bain ou de la région de cette couche inférieure, pour agiter le bain pendant le soufflage d'oxygène par le haut. 2 - Procédé suivant la ravendication 1, caractérisé en ce que ladite charge comprend du fer chrome. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la charge comprend essentiellement un mélange de fonte brute et de ferrochrome. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le ferrochrome est chargé dans la cuve- avant l'introduction de la fonte brute. 5 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le ferrochrome est chargé dans la cuve après le commencement de l'affinage de la fonte brute. 6 - Procédé suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que d'autres éléments d'alliages sont chargés dans la cuve avec le ferrochrome. 7 - Procédé suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'on procède à une opération intermédiaire d'élimination du laitier lorsque la conaeirtrattcrdu'-arbone dans le bain est tombée à une valeur comprise entre 0,25% et 1,5%. 8 - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'on ajoute au bain une quantité additionnelle de ferrochrome et/ou d'autres éléments d'alliage après l'opération intermédiaire d'élimai nation du laitier. 9 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute de l'oxyde de chrome et/ou d'autres oxydes métalliques dans le bain, comme moyen de refroidissement pendant la période d'affinage. 10 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque la décarburation du bain est à peu près totalement achevée, on interrompt le soufflage d'oxygène par le haut, on ajoute du ferrosilicium au bain et on poursuit l'agitation par injection d'un fluide par le fond pour réduire à l'état de chrome métallique le chrome qui avait été antérieurement transformé en laitier par oxydation. 11 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide utilisé pour l'agitation comprend l'un quelconque des fluides suivants ou une combinaison de ces fluides t argon, azote, vapeur d'eau, air, hydrogène, méthane, propane, oxyde de carbone, anhydride carbonique ou huile combustible ou encore une combinaison d'un ou de plusieurs de ces fluides et d'oxygène. 12 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une cuve métallurgique (10) destinée à contenir un bain du métal à affiner ; une lance (18) qui peut dtre placée au-dessus de la cuve pour souffler de l'oxygène industriellement pur sur la face supérieure du bain métallique, et des moyens (22 ou 26) pour introduire-un fluide dans la couche inférieure durain ou dansla région de cette couche inférieure. 13 - Installation suivant la revendication 122 caractérisée en ce que le fluide est introduit dans le bain par une ou plusieurs tuyères (22) ou par un ou plusieurs bouchons poreux placés dans le fond de la cuve (10) ou dans la région de ce fond. 14 - Installation suivant la revendication 12 caractérisée en ce que le fluide est introduit dans le bain par une ou plusieurs lances secondaires (28) qui peuvent étre disposées de manière qu'elles plongent dans le bain pour injecter le fluide dans la couche inférieure du bain ou dans la région de cette couche inférieure.