Brevet FR2297916A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la fusion continue de produits solides riches en fer métallique. Les procédés de fusion continue consistent à introduire d'une manière continue les produits à fondre dans un récipient de fusion, à opérer dans ledit récipient la fusion des produits par apport d'énergie et à évacuer de façon continue hors dudit recipient une quantité de métal liquide équivalente à celle contenue dans les produits fondus. Le métal liquide est généralement évacue dans un four attenant au récipient de fusion pour y être soumis à des opérations métallurgiques complémentaires telles que la mise à la nuance et à la température désirées. Dans ce qui suit, on entend par "fusion continue", l'ensemble des trois opérations précitees, à savoir : l'alimentation continue des produits à fondre, leur fusion proprement dite et l'évacuation continue du métal liquide ainsi obtenu. D'autre part, on entend par "produits solides riches en fer métallique" tout produit ferrifère présentant plus de 50 X, en poids, de fer à l'état métallique. Le processus de fusion continue implique généralement le maintien du niveau du bain métallique à une hauteur constante ; la quantité de métal évacué par unité de temps hors du récipient de fusion correspond sensiblement à la quantité de fer fondu. I1 en résulte qu'au cours d'une opération de fusion de type continu le laitier forme se trouve maintenu en permanence en contact avec la méme zone de la paroi du récipient de fusion. Compte tenu de la nature agressive du laitier, il en résulte une usure accentuée des réfractaires de garnissage dans ladite zone. Etant donne que les procédés de fusion continue ne présentent véritablement d'intérêt que lorsqu'ils sont mis en oeuvre sur des périodes relativement longues, on comprend que cet aspect d'usure des réfractaires présente une importance particulière. D'une façon générale on peut penser réduire les effets néfastes de l'usure du garnissage réfractaire en augmentant l'épaisseur de celui-ci. Cependant une telle solution ne convient pas à tous les cas d'espèce. C'est en l'occurence le cas de la fusion électrique au four à induction pour laquelle il serait au contraire préférable de réduire au maximum l'épaisseur de la paroi réfractaire afin de diminuer la réactance du four et ainsi augmenter le facteur de puissance. De plus, pour des opérations de fusion dans des fours du genre considéré, le problème se pose d'une façon plus accrue encore car le matériau à fondre est constitue de produits riches en fer et notamment de prérêduits qui forment généralement une gangue acide.On comprend en effet que les garnissages réfractaires, des lors qu'ils sont de nature basique, ce qui est souvent le cas, subissent alors une agression plus forte encore de la part d'une scorie qui présente de telles proprietés chimiques. En outre, les effets de brassage électromagnétique qui peuvent être recherchés pour améliorer l'-homogenéisation du bain métallique en température, contribuent par contre, par l'agitation du laitier qui en résulte, à amplifier le phénomène d'usure des réfractaires et à provoquer une érosion accélérée du garnissage à l'endroit de son contact permanent avec le laitier. Comme on le voit, dans le cas de la fusion continue par induction, le problème de l'usure du garnissage réfractaire se pose d'une façon particulie- rement accrue en raison du cumul de plusieurs facteurs tels que les considera- tions de puissance de fonctionnement du four, la nature des produits à fondre et les effets de brassage électromagnétique du bain métallique. Le but de la présente invention est d'apporter une solution particuliere- ment avantageuse à un tel problème et de permettre de procéder par induction à la fusion continue de produits solides riches en fer métallique. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de fusion continue de produits riches en fer métallique, notamment de produits préréduits caracte- risés en ce que - on maintient dans un récipient une masse de métal à l'état de bain metalli- que en donnant naissance dans la région inférieure du récipient à des courants électriques induits provoquant des effets de chauffage et de brassage sélectifs limités à la partie du bain métallique contenue dans ladite région inférieure du récipient, - on introduit continûment les produits à fondre à la surface du bain métallique, ctest- -dire dans la région supérieure du récipient qui est soustraite aux effets de chauffage et de brassage par induction, lesdits produits recevant par convection un apport thermique au moins suffisant pour maintenir en fusion le-metal dans ladite région supérieure du récipient, - on évacue continûment hors du récipient une quantité de métal fondu et une quantité de laitier respectivement équivalentes aux quantités introduites par lesdits produits à fondre. Selon une mise en oeuvre particuliére du procédé conforme à l'invention, on évacue continûment ladite quantité de métal fondu hors de la région supérieure du récipient de fusion et, selon une variante plus avantageuse, à faible distance seulement en-dessous de la surface du bain métallique Une mise en oeuvre préférée du procédé selon l'invention consiste à évacuer continûment ladite quantité de métal fondu par débordement au-dessus du seuil d'un siphon définissant une hauteur constante du bain de métal dans le récipient de fusion. L'invention a également pour objet un four à induction pour la fusion continue de produits riches en fer, notamment de produits prereduits, carac terse en ce que - il présente une forme cylindrique allongée suivant un axe vertical comprenant une partie inférieure et une partie supérieure, - ladite partie inférieure est construite comme un creuset à induction de conception classique avec une cuirasse métallique de préférence non magnétique et entourée sur sa paroi latérale par une bobine d'induction électromagnétique, - ladite partie superieure est munie de moyens pour l'introduction des produits à fondre, d'une porte de décrassage du laitier et d'un siphon pour l'évacuation par débordement du métal fondu, le seuil dudit siphon définissant sensiblement la hauteur statique du bain métallique dans le four. Selon un agencement particulier dudit four à induction, le canal de coulee du siphon d'évacuation débouche sur la paroi intérieure de ladite partie supérieure du four, à faible distance seulement en-dessous de la surface du bain métallique, c'est-à-dire dans la région dudit bain la moins soumise aux effets de brassage électromagnétique de sorte que la coulée de métal fondu hors du four par débordement au-dessus du seuil dudit siphon présente un débit sensiblement peu perturbé. Selon une disposition avantageuse de la présente invention, la partie inférieure, substantiellement définie comme étant la partie du four entourée par la bobine d'induction électromagnétique, et la partie supérieure attenante sont indépendantes et séparables. Selon une autre variante avantageuse de la presente invention, ladite partie supérieure est munie d'un garnissage réfractaire substantiellement plus epais que celui de ladite partie inférieure et peut être équipée de moyens pour refroidir le garnissage réfractaire dans la zone annulaire de contact avec le laitier. Un autre objet de la présente invention est l'application de ce procédé, et du four à induction pour sa mise en oeuvre, dans un schéma d'élaboration continue de l'acier, à partir de produits solides riches en fer, notamment de préréduits, composé d'un étage de fusion desdits produits et d'un étage de finition attenant alimenté par un débit continu de métal fondu provenant dudit étage de fusion. Il ressort de l'ensemble de ces dispositions que, pour aboutir au but desiré, le demandeur s'est fixé comme objectif la réalisation d'une fusion sensiblement paisible au niveau de la surface du bain Dans cette optique, I'idée directrice du demandeur a été de maintenir la couche de laitier dans un état sensiblement calme, à une hauteur invariante dans le four et à une tempera- ture relativement constante. Pour ce faire, le demandeur à imaginé d'opérer une fusion continue des produits considérés en utilisant un dispositif de chauffage par induction alimenté en courant de fréquence industrielle et agissant directement sur une masse de métal en fusion qui se trouve soumise de ce fait à des mouvements de brassage relativement intenses et en transmettant par simple convection thermique à une masse de métal en fusion située directement au dessus de la masse soumise aux actions de chauffage et de brassage inductifs, l'énergie calorifique nécessaire à la fusion des produits solides déposés de façon substantiellement continue à la surface du bain ; le métal liquide et la scorie resultant de la fusion desdits produits solides sont évacués hors du dispositif de chauffage par induction de manière à assurer le caractere continu de l'opération et , en particulier, le maintien de la surface du bain dans un état relativement calme, et à une hauteur constante dans la partie supérieure du récipient de fusion, au-dessus de la region du bain soumise aux effets électromagnétiques permettant ainsi, d'une part d'éviter les effets de balayage et de léchage de la paroi refractaire par le laitier et d'autre part la possibilite de refroidir le garnissage réfractaire au niveau de sa zone de contact avec le laitier, de sorte que l'usure du garnissage dans la zone considérée soit sensiblement ralentie. I1 resulte de cet ensemble de dispositions que le processus de fusion est nettement plus paisible que dans les creusets à induction de conception classique. On sait que l'usure.de la paroi réfractaire d'un four de fusion continue se developpe essentiellement dans la region située en contact avec le laitier, lequel surnage sur le bain métallique. Ce laitier provient de la fusion des substances non métalliques contenues dans les produits introduits et également de l'apport additionnel d'agents scorifiants en vue de former un laitier présentant des propriétés physiques et chimiques déterminées. Le laitier ainsi forme provoque une attaque du garnissage réfractaire d'autant plus prononcée que le bain est agité. On comprend donc que l'existence d'une masse substantiellement stationnaire de métal en fusion à la partie supérieure du bain permette de limiter l'usure des refractaires dans la région la plus sollicitée de la paroi du four. I1 doit être bien entendu que les expressions "fusion calme" ou "fusion paisible" ne caractérisent que l'état de fusion du bain situé dans la region supérieure du four et plus particulièrement son aspect à la surface. De plus, les termes "calme" et "paisible" ne doivent pas être compris dans un sens excessif, à savoir le maintient de la couche supérieure du bain dans un état immobile et plat. I1 est bien entendu qu'un tel état de choses n'est ni réalisable ni souhaitable dans la pratique. I1 est avantageux au contraire que les effets de brassage électromagnétique dans la region inférieure du bain soient encore légèrement sensibles à la surface du bain, ceci pour des raisons de meilleure homogénéisation de ce dernier.Les expressions "fusion calme" ou "fusion paisible" n'impliquent donc pas que la surface du bain soit dans un état immobile, mais signifient uniquement que le brassage de la masse métallique dont l'ampleur est assez considérable dans la partie inferieure du four formant le creuset à induction, se trouve substantiellement atténuée au niveau de ladite surface du bain. Un avantage de la présente invention réside dans le fait que la présence de la masse en fusion constituant la partie supérieure du bain métallique non soumise aux effets de chauffage et brassage par induction, encore appelée "hauteur morte", engendre une pression hydrostatique qui a pour effet de diminuer l'ampleur des phénomènes de brassage électromagnétique. Il est aisé de comprendre qu'un tel état de chose permet un fonctionnement de four à une puissance nettement plus élevée que celle autorisée pour les fours à induction basse fréquence de conception classique. En effet dans ces derniers, I'ensemble du bain métallique est soumis aux effets des variations du champ magnétique primaire, de sorte qu'une puissance excessive tendrait à séparer le métal des parois du creuset jusqu'à lui donner la forme d'une sorte de "pain de sucre". Or, il est clair qu'un tel brassage n'est nullement desirable dans la pratique. La solution proposée par la présente invention obvie à cet inconvénient et autorise ltexploitation du four à haute puissance. Compte tenu de ce qui précède, il résulte que la présente invention permet d'atteindre un bon compromis entre une agitation du bain en surface suffisamment atténuée pour réduire la vitesse d'usure du garnissage réfractaire et une agitation suffisamment sensible pour permettre l'homogénéisation du bain. Dans chaque cas d'espèce, c'est-à-dire pour une hauteur du bain donnée au-dessus de l'enroulement électromagnétique, hauteur caracterisee par la lettre h sur la figure unique du dessin annexé, l'utilisateur saura determiner la puissance d'exploitation du four afin de réaliser ledit compromis selon les nécessités. Un autre aspect avantageux de la solution propose par l'invention réside dans le fait que grâce à la présence permanente à la surface du bain de produits solides à fondre, la température du bain demeure constamment voisine de la température du solidus, c'est-à-dire que la température du laitier sera pratiquement constante, ce qui obvie aux inconvénients des processus discontinus dûs aux changements de température et permet ainsi une amélioration très sensible de la tenue du garnissage réfractaire basique. Cet état de choses coopère d'une part avec le maintien de la partie supérieure du bain dans un état sensiblement calme et d'autre part le maintien de la surface du bain à une hauteur constante dans le four de manière à réduire l'attaque du laitier et par voie de conséquence à prolonger la durée de vie du garnissage réfractaire. Un avantage supplémentaire de la présente invention est dû au fait que la disposition proposée permet une présence'de laitier sur le bain métallique en quantité beaucoup plus importante que celle autorisée dans les fours à induction de conception classique. On se rapproche ainsi des conditions metallurgiques de fonctionnement des fours électriques à arcs. On comprend alors que l'usage de l'objet de la présente invention n'est nullement limitée à la fusion simple, mais peut éventuellement être étendue à des opérations d'affinage telles que la décarburation ou de désoxydation selon les nécessités. L'invention sera bien comprise et d'autres avantages apparaitront au vu de la description qui va suivre dpnnée à titre d'exemple en référence à la figure unique du dessin annexe. On a représenté sur la figure unique une installation sidérurgique pour l'élaboration d'acier liquide à partir de produits solides riches en fer métallique constituée par un four de fusion 1 et un four de traitement métallurgique complementaire attenant au four de fusion. Une telle installation siderurgique est plus généralement dénommez " deux étages" : un étage de fusion représenté par le four de fusion 1 et un étage de finition représenté par le four de traitement 2. La particularité essentielle d'un tel schema d'élaboration de l'acier, réside dans le fait que chaque étage est conçu et adapte specifiquement à la fonction que l'on désire lui faire remplir : fusion pour le four 1, finition pour le four 2. Le four de fusion 1 comprend une enceinte en matériau réfractaire 3 de forme générale cylindrique selon un axe vertical et allongee suivant cet axe. Ladite enceinte 3 est constituée par assemblage d'une partie inférieure 4 formant un creuset, d'une partie supérieure annulaire 5 surmontant ladite partie inférieure 4 et d'une voûte 6 recouvrant ladite partie supérieure 5. Chacune des parties constituant l'enceinte compprte une cuirasse métallique externe 7 à l'intérieur de laquelle est agencé un garnissage réfractaire. La partie inferieure 4 et la partie annulaire 5 sont solidarisées par boulonnage périphérique au droit d'une couronne d'assemblage 8. L'étanchéité du joint entre ces deux parties de l'enceinte est assurée par bourrage d'un ciment réfractaire dans un intervalle périphérique intérieur 9. Le ciment refractaire peut par ailleurs être avantageusement remplacé par du feutre impregné à un mélange de brai-magnésie par exemple afin d'éviter le frittage entre les deux revêtements réfractaires. Un enroulement conducteur 10 est disposé autour du creuset 4. Cet enroulement s'étend sur la majeure partie de la hauteur dudit creuset. Il est constitue par une bobine réalisée en tube de cuivre à l'intérieur duquel peut circuler un fluide de refroidissement. Cette bobine est noyée dans une masse de résine synthétique 11 laquelle peut être entourée de plusieurs culasses magnétiques 12. L'enroulement 10 est raccorde d'une façon classique à une source d'energie électrique de frequence industrielle, en l'occurence 50 Hz, par l'intermédiaire d'un transformateur non représenté. Le raccordement de l'enroulement s'effectue généralement en monophasé. Un orifice 13 est prévu dans le fond du creuset pour permettre la vidange du four. La partie annulaire 5 présente un garnissage réfractaire substantiellement plus épais que celui de la partie inférieure 4. Dans l'exemple decrit l'épaisseur du garnissage de la partie annulaire 5 est sensiblement égale au double de l'épaisseur du garnissage de la partie inférieure 4. Cette partie annulaire 5 comporte une gorge circulaire 14 à l'intérieur de laquelle sont disposés des conduits 15 dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement. La partie annulaire 5 comporte en outre une porte de décrassage du laitier 16 et un siphon 17 débouchant dans le four par un orifice 18 situé à faible distance en dessous de la surface du bain metallique dont la position sur l'axe du four est définie par la hauteur du seuil 19. La voûte 6 est munie de moyens pour l'introduction des produits à fondre. De tels moyens sont représentés dans l'exemple décrit par un orifice central 20, une goulotte 21 adaptée à la périphérie de l'orifice 10 et un entonnoir 22 solidaire de la goulotte 21, dans lequel sont deversés les produits à fondre au moyen d'un bande transporteuse 23. Il est bien entendu que la bande 23 ne constitue qu'un simple exemple et que tout autre moyen assurant la fonction d'apport de produits à fondre, tel qu'un couloir vibrant, convient également. La voûte 6 et la partie annulaire 5 sont solidarisées par un boulonnage périphérique 24. En considérant le four rempli par une masse de métal en fusion 25 jusqu'à une hauteur définie par la position du seuil 19, le champ magnétique variable crée par le courant alternatif circulant dans l'enroulement 10 donne naissance dans la région inférieure de ladite masse de metal en fusion, et seulement dans cette region, à des courants induits secondaires. Il en résulte une production d'énergie au sein de ladite région inférieure de la masse de métal, energie que se manifeste d'une façon bien connue par un dégagement de chaleur par effet Joule et par une mise en mouvement de la région inférieure de la masse de métal en fusion représentée de façon simplifiée sur la figure par quatre flèches circulaires. Ces effets de chauffage par induction et de brassage demeurent sensiblement localisés dans la portion cylindrique du four délimitee par la bobine d'induction 10. Le reste de la masse de metal qui se trouve dans la partie supérieure du four et qui, de ce fait, est soustraite aux effets électromagnéti- ques, est maintenue en fusion par des courants de convection.Les dispositions constructives du four sont telles que pour une puissance donnée de fonctionnement du four, la hauteur h representant la position du seuil 19 selon l'axe vertical du four par rapport à la position de la section supérieure de ladite portion cylindrique délimitée par l'enroulement 10, soit d'une part suffisamment élevée pour que les effets de brassage de la partie inferieure du four soient sensiblement atténués au niveau de l'orifice de sortie du métal liquide 18 et d'autre part suffisamment réduite de façon que les courants de convection soient encore assez efficaces pour permettre le maintien à l'état fondu de ladite partie supérieure de la masse de métal et que les effets de brassage soient encore suffisamment sensibles pour éviter les risques de grandes hétérogénéité du bain. Inversement, pour une disposition constructive donnée, en l'occurence pour une hauteur h donnée, un état de choses identique peut être obtenu par un contrôle et un réglage de la puissance appliquee au four. Les produits à fondre sont amenés au-dessus du four par une bande transporteuse qui les déverse dans un entonnoir 22, lequel les canalise dans une goulotte 21 aménagée dans l'orifice 20. Les produits à fondre sont déposés en continu à la surface du bain métallique. Une quantite de laitier équivalente à celle formée par la fusion desdits produits est évacuée par la porte de décrassage et une quantité de métal liquide équivalente à celle produite par la fusion desdits produits sort du four par débordement au dessus du seuil 19 du siphon 17. La hauteur du laitier est définie par les positions respectives du seuil 19 et de la porte de décrassage 16. Les effets de brassage étant sensiblement atténués au niveau de l'orifice de sortie 18, le débit de coulée de métal liquide est peu perturbé et, étant proportionnel aux quantites de produits solides fondus, il peut être contrôlé et régulé par la puissance appliquée. Le métal en fusion evacué par débordement au-dessus du seuil 19 est introduit en continu dans le four 2 attenant, dans lequel il subit des traitements métallurgiques complémentaires et appropriés aux nécessités, tels que la mise à la nuance et la mise à la température désirées. Dans l'exemple décrit, le four de traitement 2 est représenté par un four à canal. Cependant un four de conception differente tel qu'un four à arc ou à creuset peut convenir également. REVENDICATIONS 1. Procedé de fusion continue de produits riches en fer métallique et notamment de produits préréduits caractérisé en ce que - on maintient dans un récipient une masse de métal à l'état de bain metallique en donnant naissance dans la région inférieure dudit récipient à des courants electriques induits qui provoquent des effets de chauffage et de brassage sélectifs limites à la partie du bain métallique contenue dans ladite region inférieure du récipient, - on introduit continûment les produits à fondre à la surface du bain métal- lique, laquelle se situe dans la région supérieure du récipient qui est soustraite aux effets de chauffage et de brassage par induction, lesdits produits à fondre recevant par convection un apport thermique suffisant pour maintenir en fusion le métal dans ladite région superieure du récipient, - on évacue continûment hors du récipient une quantité de métal fondu et une quantité de laitier respectivement équivalente aux quantités introduites par lesdits produits à fondre. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on évacue ladite quantité de métal fondu par débordement au moyen d'un siphon définissant un niveau constant du bain métallique à l'intérieur dudit récipient. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on évacue continûment hors de la région supérieure du récipient de fusion ladite quantité de métal fondu équivalente à celle introduite par lesdits produits à fondre. 4. Procédé selon la revendication 3. caractérisé en ce que l'évacuation continue de ladite quantité de métal fondu a lieu à une faible distance endessous de la surface du bain métallique. 5. Procédé d'élaboration continue de l'acier à partir de produits riches en fer, notamment de preréduits, caractérise en ce qutil comporte des opérations de fusion conformément à la revendication 1 suivies d'opérations metallurgiques complémentaires de la fusion desdits produits telles que des opérations de mise à la nuance et de mise à la temperature désirées du bain métallique. 6. Four à induction pour la fusion continue de produits riches en fer, notamment de produits préréduits, caractérisé en ce que - il présente une forme cylindrique allongée'suivant un axe vertical, - il comprend une partie inférieure surmontée par une partie supérieure, - ladite partie inférieure est construite comme un creuset à induction de conception classique avec une cuirasse métallique de préférence non magnétique et entourée sur sa paroi latérale par une bobine d'induction électromagnétique, - ladite partie supérieure est munie de moyens pour l'introduction des produits à fondre, d'une porte de décrassage du laitier et d'un siphon pour l'évacuation par débordement du métal fondu, le seuil dudit siphon définissant sensiblement la hauteur statique du bain métallique dans le four. 7. Four à induction selon la revendication 6 caractérisé en ce que le canal de coulée du siphon d'évacuation débouche sur la paroi intérieure de ladite partie supérieure du four, à faible distance seulement en-dessous de la surface du bain métallique, c'est-à-dire dans la region dudit bain la moins soumise aux effets de brassage électromagnétique de sorte que la coulée de métal fondu hors du four par debordement au-dessus du seuil dudit siphon présente un débit sensiblement peu perturbe. 8. Four à induction selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite partie inférieure, substantiellement définie comme étant la partie du four entourée par la bobine d'induction électromagnétique,.et la partie superieure attenante sont indépendantes et séparables. 9. Four à induction selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que ladite partie supérieure est munie d'un garnissage réfractaire substantiellement plus épais que celui de ladite partie inférieure. 10. Four à induction selon la revendication 9 caractérisé en ce que la partie supérieure est équipée de moyens de refroidissement du garnissage réfractaire dans la zone annulaire de contact avec la laitier. 11. Dispositif pour l'élaboration continue d'acier à partir de produits riches en fer et notamment de produits prérédui ts caractérisé en ce qu'il comprend - un étage de fusion composé d'un four à induction conforme à'une quelconque des revendications 6 à 9, - un étage de finition, attenant audit étage de fusion, alimenté continûment en métal fondu en provenance dudit four à induction, et composé d'un recipient de conception classique pour tout traitement métallurgique complémentaire à la fusion desdits produits telles que la mise à la nuance et la mise à la température desirees du bain métallique.