Brevet FR2301596A1 — publié le 19760917

La présente invention est relative à un procéde d'elaboration de l'acier à partir de fonte liquide par soufflage d'oxygène par le fond d'un récipient d'affinage. L'un des procédés actuellement au stade industriel pour l'élaboration de l'acier à partir de fonte liquide, connu sous la désignation générale d'affinage à l'oxygène par le fond, consiste à insuffler de l'oxygène à l'état pur ou sensiblement pur par des injecteurs disposes dans le fond d'un convertisseur, conjointement avec un agent refroidiss-ant dissociable tel qu'un hydrocarbure liquide ou gazeux, afin d'obtenir une tenue convenable des injecteurs et du fond du convertisseur qui ne résisterait pas aux très hautes températures développées à l'endroit ou l'oxygène pur rencontre le bain. Un des inconvénients majeurs de l'affinage à l'oxygène par le fond réside dans la difficulté de déphosphorer l'acier jusqu'à de basses teneurs finales sans avoir à pousser les charges d'affinage jusqu'à une très basse teneur en carbone responsable d'une teneur en oxygène correlativement très élevée et qui n'est pas toujours compatible avec la qualité d'acier désirée. Le but de la présente invention est d'obvier à cet inconvénient en permettant une déphosphoration avancée par rapport à la décarburation de façon à obtenir en fin d'opération d'affinage de très basses teneurs en phosphore dans le métal final, qu'il s'agisse d'acier extra doux, doux, mi-dur ou dur. Il peut sembler paradoxal que les procédés classiques de conversion ne permettent la déphosphoration poussée de la fonte brute qu'en fin d'opération d'affinage, quand le carbone est éliminé et quand la temperature du bain est la plus élevée alors que, en présence de chaux, la déphosphoration qui est favorisee par une température relativement inférieure, devrait, d'apres les lois de la physico-chimie, être largement commencée avant la décarburation. En réalité, ce phénomène est lié à la difficulté de formation du laitier qui ne devient liquide que dans les tout derniers instants du soufflage. Autrement dit, dans ces procédes de conversion, l'opération d'affinage est trop rapide pour que les morceaux de chaux froide, enfournée en début d'opération puissent immédiatement constituer une scorie basique de déphosphoration. Diverses solutions ont ete proposées. L'une d'entre elles consiste à insuffler par le fond de l'oxygène avec de la poussière de chaux additionnees de quantités relativement importantes de fondants tels que du spath fluor, de la collemanite, etc... On obtient ainsi une amélioration de la déphosphoration, mais elle est insuffisante pour les aciers durs ou mi-durs quand la teneur initiale en phosphore de la fonte n'est pas très basse, ce qui oblige à faire une sélection dans les minerais de fer et augmente par conséquent les prix de revient de l'acier. Une solution différente reside dans la pratique bien connue du double laitier, avec ou sans insufflation complémentaire de carbone.On obtient ainsi de basses teneurs en phosphore, mais avec également une faible teneur en carbone et, par voie de conséquence, une oxydation elevée du bain métallique. De plus une telle solution est onéreuse. D'autres solutions sont caractérisées par la combinaison du procédé de soufflage d'oxygène par le fond avec les tuyères et du procédé de soufflage par le haut avec une lance ou de soufflage latéral par des tuyères débouchant au-dessus de la surface du bain (Brevet français nO 1.018.508). Cependant, comme toute combinaison de procédés, de telles solutions présentent le désavantage de combiner également les inconvénients des deux procédes. La presente invention propose une solution particulièrement avantageuse à un tel problème. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'élaboration de l'acier par conversion de fonte liquide brute en soufflant de l'oxygène pur ou sensiblement pur, conjointement avec un agent refroidissant dissociable, au travers d'injecteurs disposés dans le fond d'un récipient d'affinage caractérisé en ce que, en fonction du débit d'oxygene désiré, on donne au bain de fonte liquide une hauteur au-dessus des injecteurs sensiblement plus faible que dans la pratique habituelle et conformément à la relation ou H représente ladite hauteur du bain (en cm) correspondant audit débit d'oxygène désiré Q (en m3/mn) et Ho represente la hauteur de bain de la pratique habituelle correspondant à un débit d'oxygène QO afin d'obtenir au-dessus du bain une atmosphère fortement oxydante permettant la formation precoce d'un laitier fluide, notamment d'un laitier de dephosphoration. Selon une mise en oeuvre particulière et préférée de l'invention, on conserve un debit d'oxygène sensiblement égal au d?bit d'oxygène pratiqué d' xygene habituellement et on effectue un tel soufflageendonnant au bain de fonte liquide une hauteur au-dessus des injecteurs sensiblement égale ou légèrement inferieure à la moitié de la hauteur du bain de la pratique habituelle. Pour aboutir au résultat recherché, le demandeur s'est fixé pour objectif de provoquer un apport calorifique à la surface du bain et la formation accéléree d'un laitier fluide réactif. Pour ce faire, le demandeur a imaginé d'adapter le procedé de conversion par soufflage par le fond pour permettre à une partie de l'oxygène d'affinage de traverser le bain sans réagir et d'arriver au-dessus du bain pour brûler une partie de l'oxyde de carbone formé durant le phénomène de décarburation. L'apport thermique correspondant contribue fortement à la formation précoce d'un laitier fluide, laquelle se trouve également facilitée par une augmentation en surface de la teneur en oxyde ferreux due à la réduction de la hauteur du bain métallique. Comme on le comprend, la présente invention consiste à réduire le temps de séjour moyen des molécules d'oxygene au sein du bain métallique jusqu'à obtenir qu'une partie de l'oxygène traverse le bain sans avoir reagi et arrive audessus du bain, recréant ainsi une partie des caractéristiques opératoires de l'affinage à la lance. Conformément à l'invention, ceci est réalisé en réduisant délibérément la hauteur du bain d'une quantité importante, par exemple en la divisant par deux par rapport à la pratique habituelle.On pourrait éventuellement, sans modifier la hauteur du bain, arriver à un résultat voisin par augmentation de la vitesse de soufflage ou en augmentant le diamètre unitaire de chaque tuyère, mais de telles pratiques au niveau des tuyères peuvent conduire à des difficultes de soufflabilité de la charge. Les essais effectués par le demandeur ont montré que, pour un même debit de vent, il convenait de réduire sensiblement de moitié la hauteur statique du bain par rapport à celles pratiquées habituellement pour l'affinage de la fonte par le fond et qui, généralement, sont de l'ordre de 1 m. Dans ce cas, l'oxygène residuel n'ayant pas participé aux reactions d'oxydation du bain, se dégage à la surface de ce dernier et provoque à la fois la combustion de l'oxyde de carbone résultant de la decarburation de la fonte en quantite suffisante pour favoriser la formation d'un laitier fluide déphosphorant de façon bien plus précoce que dans les procédés de la pratique habituelle. D'une façon génerale, les essais entrepris dans un convertisseur donné en faisant varier le débit d'oxygène ont permis au demandeur d'établir la relation empirique suivante ou H (en cm) represente la hauteur du bain métallique selon l'invention correspondant à un débit moyen variable d'oxygene Q (en m3/mn). Ainsi pour un conver -tisseur de hauteur classique de bain de 0,90 cm et soufflé avec un debit d'oxygène de 500 m3/mn on operera, conformement à l'invention, par exemple pour le même débit d'oxygène, avec une hauteur de bain au plus égale à 45 cm. Si on le désire, cette limite supérieure pourrait éventuellement être portée à 50 cm ou plus en soufflant avec des débits d'oxygène de l'ordre de 600 m3/mn et plus. Cependant, les essais ont montré que pour diverses raisons, telles/qpar exemple les risques de projections, il était préférable de se limiter sensiblement à une hauteur de bain de l'ordre de 45 cm. Comme on le voit, un avantage remarquable du procédé selon l'invention réside dans l'extrème simplicité de la mise en oeuvre. Il est clair que pour un convertisseur de volume donné, l'abaissement de la hauteur du bain conduit à une réduction du tonnage de fonte. Toutefois, si l'on désire conserver ce dernier constant, il suffit d'augmenter proportionnellement le diamètre interne de la paroi réfractaire et, par voie de conséquence, la surface de fond de convertisseur. En outre, il conviendrait alors d'étendre dans les mêmes proportions la surface de la zone de soufflage de manière à éviter la formation d'une section de circulation externe dont la présence est de façon bien connue défavorable au soufflage. Des essais comparatifs effectués sur des mêmes tonnages de fonte et avec une même composition initiale de fonte ont pu mettre en évidence l'intérêt et l'efficacité du procédé conforme à l'invention. Ainsi, pour une fonte phosphoreuse titrant au départ sensiblement 1,70 % de phosphore en poids, le procède selon l'invention a permis d'obtenir sur une serie de huit coulées consecutives une teneur moyenne en phosphore de 0,018 % avec des valeurs extrêmes allant de 0,016 % à 0,021 % et pour une teneur finale moyenne en carbone de 0,08 % avec des valeurs extrêmes allant de 0,07 % à 0,09 %.Dans les mêmes conditions et pour une même température finale du bain métallique, la méthode habituelle a permis d'obtenir seulement une teneur moyenne en phosphore de 0,025 % avec des valeurs extrêmes allant de 0,022 % à 0,030 % pour une teneur finale moyenne en carbone de 0,02 % impliquant par voie de consequence un bain métallique nettement plus oxydé comme celà résulte de la relation bien connue liant les teneurs respectives de carbone et d'oxygene dissout dans le bain metallique. Des constatations analogues ont pu être faites sur des fontes hématites à teneur initiale en phosphore de l'ordre de 0,012 % avec une teneur finale en carbone de l'ordre de 0,500 % sans addition aucune de fondants tels que du spath fluor ou de la collémanite, alors que les mêmes charges affinees de façon classique jusqu'à l'obtention d'une teneur identique en carbone ont présente des teneurs résiduelles en phosphore de 3 à 6 fois supérieures, et ceci malgré l'addition de plusieurs kilos de spath fluor par tonne de fonte chargée. Selon une caractéristique intéressante du procede conforme l'invention, on insuffle au travers du fond du convertisseur de l'oxygène conjointement avec un agent refroidissant tel qu'un hydrocarbure liquide ou gazeux dont la dissociation thermique procure un supplément de gaz combustible à la surface du bain tel que l'hydrogène. En outre, cette dissociation thermique intervenant dès le début du soufflage, les gaz combustibles qui en résultent se dégagent au-dessus du bain conjointement avec l'oxygène residuel bien avant les gaz de décarburation. Comme on le comprend, un avantage supplémentaire est du au fait qu'un tel état de choses permet un apport thermique au-dessus du bain et, par voie de conséquence, tend à favoriser une formation d'un laitier déphosphorant dès les premiers instants de l'affinage. Dans cette optique, il est à noter qu'un autre avantage de la présente invention consiste dans le gain thermique supplémentaire résultant des effets cumulés des deux phénomènes suivants : d'une part la combustion en surface de l'oxyde de carbone formé dans le bain en gaz carbonique et, dans une mesure moindre, par la formation exothermique de vapeur d'eau à partir de l'hydrogène dégagé, et d'autre part la réduction du temps de passage de l'oxygène au travers du bain qui conduit comme on le comprend à un echauffement de ce dernier. En effet, plus le temps de séjour de l'oxygène dans le bain est court, moins il emporte avec lui de calories en provenance du bain.Des essais comparatifs effectués spécialement par le demandeur sur un ensemble de charges de même poids et avec la même quantité d'additions refroidissantes ont montre que les charges caractérisées par une hauteur statique de 30 cm présentaient en fin d'affinage une température de 1625"C en moyenne, supérieure de 20"C à la température moyenne de 1605"C correspondant aux charges habituelles de 70 cm. On comprend qu'un tel état de choses favorise encore la formation precoce d'un laitier fluide déphosphorant. De plus, un tel phénomène coopère avec la combustion qui a lieu dans l'atmosphère oxydante regnant dans la partie supérieure du convertisseur pour améliorer sensiblement le bilan thermique de l'opération d'affinage.Il est clair qu'un tel état de choses présente l'intérêt de permettre une refonte plus aisée d'éventuels loups de bec ainsi qu'une addition au bain d'une plus forte proportion de ferrailles qui, étant à l'intérieur du bain métallique, n'empêcheront pas la partie supérieure dudit bain de bénéficier des plus hautes températures dues aux phénomènes de combustion en surface précédem- ment explicités. Le procédé selon l'invention présente en outre un avantage en ce sens qu'il augmente fortement la soufflabilité de la fonte. En effet, les essais effectués par le demandeur ont montré que lorsque l'opération d'affinage s'effectue avec une hauteur statique de bain nettement inférieure (sensiblement la moitié) de celles utilises dans la pratique courante, et de preference ne dépassant guère 45 cm, les débits-limites correspondent à des valeurs tres élevées quel que soit le taux de silicium de la fonte, et ceci durant toute la période de conversion, c'est-à-dire même en début de décarburation, là o0 les projections sont le plus à craindre. Cet aspect particulièrement favorable, dû à la mise en oeuvre du procédé conformément à la présente invention est en réalité causé par deux phénomènes qui coopèrent et se complètent. Le premier, de nature purement physique, est lie de façon connue à la diminution de la hauteur statique du bain, ce qui a pour effet d'augmenter la distance entre le bec du convertisseur et la surface du bain. Un tel phénomène a pour conséquence une augmentation générale du débit-limite durant tout le processus d'affinage.Un second phénomène plus important, de nature chimique cette fois, s' explique par le fait que l'apport calorifique au niveau de la surface du bain provoque une dissolution plus précoce de la chaux, ce qui a pour effet d'inhiber la forte aptitude à mousser de la scorie de désiliciation qui entrainerait un fort accroissement du volume apparent du bain et, par voie de conséquence, une propension accusée pour projeter durant la période critique du début de la décarburation. Comme on le comprend, un tel phénomène a pour conséquence une augmentation du débit-limite durant la première partie de la décarburation là ou les projections sont le plus à craindre et qu'on designe généralement par débit-limite minimum. Ainsi, par exemple, avec des charges présentant une hauteur de bain de 38 cm, il a été possible de souffler avec un debit d'oxygène constant durant toute l'opération d'affinage des fontes phosphoreuses titrant de l'ordre de 0,75 % en silicium alors qu'avec une hauteur de bain de 75 cm il a fallu réduire ce debit d'oxygène entre la 2ème et la 6ème minute de soufflage (pour un temps total d'affinage d'environ 13 minutes) et descendre de la 3ème à la 5ème minute à un débit d'oxygene de 60 % de la valeur maximale possible. Il apparat donc que la présente invention présente un avantage économique certain et qu'elle permet un gain de temps sensible de l'opération d'affinage conjointement avec une amélioration de la mise au mille metallique en raison de l'absence de projections qui, lors des processus d'affinage classique menées dans les mêmes conditions de soufflage, pourraient atteindre 10 à 20 kg par teneur d'acier produit. Le procedé suivant l'invention s'applique aux convertisseurs à revêtement basique soufflés par le fond, quel que soit le fluide de soufflage utilise. Dans la réalisation pratique de l'invention telle que décrite il est fait usage, de préférence, d'oxygene techniquement pur (95 % d'O2) ou mélangé d'une façon connue à un agent refroidissant dissociable ; toutefois le résultat industriel recherché, à savoir un taux poussé de déphosphoration, peut également être obtenu, bien qu'à un degré moindre, avec l'emploi d'air atmosphérique enrichi à l'oxygène et titrant de préférence au moins 50 % d'oxygène. De même, l'utilisation dans l'oxygène d'un gaz diluant inerte tel que par exemple l'azote ou l'argon doit être considérée comme entrant dans le cadre de la présente invention. Par ailleurs, la qualité du résultat obtenu par le procédé selon l'invention sera favorisee par l'utilisation de chaux non surcuite et de préférence de faible granulométrie. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de l'acier par conversion de fonte liquide brute par soufflage de l'oxygène pur ou sensiblement pur conjointement avec un agent refroidissant dissociable au travers d'injecteurs disposés dans le fond d'un récipient d'affinage caractérisé en ce que, en fonction du débit d'oxygene désiré, on donne au bain de fonte liquide une hauteur au-dessus des injecteurs sensiblement plus faible que dans la pratique habituelle et conformément à la relation ou H représente ladite hauteur du bain (en cm) correspondant audit débit d'oxygène désiré Q (en m3/mn) et Ho represente la hauteur de bain de la pratique habituelle correspondant à un débit d'oxygène QO de manière à avancer la formation d'un laitier fluide, notamment d'un laitier de déphosphoration. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on maintient le débit d'oxygène désiré sensiblement égal au débit d'oxygène de la pratique habituelle, on effectue un tel soufflage d'oxygène en donnant au bain de fonte liquide une hauteur au-dessus des injecteurs sensiblement plus faible que dans la pratique habituelle, sensiblement égale ou légèrement inférieure à la moitié, de maniere à avancer la formation d'un laitier fluide, notamment d'un laitier de déphosphoration. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la hauteur statique du bain de fonte liquide au-dessus des injecteurs est au plus égale à 45 cm. 4. Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérise en ce que l'agent refroidissant dissociable est un hydrocarbure liquide ou gazeux.