Brevet FR2347442A1 — publié le 19771104

La présente invention concerne le problème de la refusion de la fonte dans un four à cuve verticale. la fonte est obtenue le plus couramment dans un appareil appelé "cubilot". Dans sa version traditionnelle, cet appareil utilise le coke comme combustible; la chaleur dégagée par la combustion, entretenue elle-mêrne par un flux d'air appelé "vent" pénétrant dans l'appareil par des tuyères situées près de sa base, permet la fusion de la charge métallique. Dans ce type de cubilot, le coke remplit quatre fonctions essentielles qui sont celles de - combustible, - agent carburant, - support mécanique de la charge, et - maintien de la porosité de la charge. Le préchauffage, la fusion de la charge métallique, et la surchauffe du métal fondu sont réalisés progressivement dans la cuve du cubilot, en partant du gueulard situé à la partie supérieure, où s'effectue le chargement, jusqu'au creuset qui forme la partie inférieure de la cuve. Depuis l'aube de lthre industrielle, de nombreuses améliorations du cubilot ont été proposées tendant en particulier à accroître le rendement thermique, la production horaire, la température et les caractéristiques métallurgiques de la fonte obtenue. Les techniques d'améliorations proposées, et déjà connues, se répartissent en quatre catégories 1. mise enlace de tuyères étagées ou de plusieurs rangs de tuyères, 2. préchauffage du vent, avec ou sans récupération sur les fumées, 3. utilisation d'un vent enrichi en oxygène ou même injection d'oxygène pur entre les tuges ou dans le creuset, 4. utilisation de combustible supplémentaire ou de substitution. Ainsi, on emploie maintenant de façon classique un cubilot coke-gaz, dont la technique consiste à substituer un combustible liquide et/ou gazeux au coke, matériaux fort onéreux, dans son r8le de combustible0 Dans ce type de cubilot, le préchauffage, la fusion de la charge métallique et la surchauffe du métal fondu sont réalisés comme dans un cubilot classique, progressivement et successivement au cours de la descente dans la cuve, mais les produits de combustion issus de brûleurs à combustible liquide et/ou gazeux, concourent avec les produits de combustion du coke issus de la paillasse de coke sur laquelle repose la colonne de charge, à la fusion et au préchauffage de la charge métallique.Pour ce faire, ces brtleurs sont disposés au-dessus des tuyères sensiblement au niveau supérieur de la paillasse de coke ou au niveau de la zone de fusion. Le souplesse de conduite d'un cubilot classique est estreme- ment réduite, le cubilot ne possédant qu'un seul régime stable de fonctionnement pour une charge donnée ; en effet, pour un pourcentage de coke donné, le débit horaire de vent agit simultanément sur la production horaire et sur la température de la fonte coulée au chenal, de torte qu'un appareil de diamètre fixé travaillant avec un taux de coke donné ne possède qu'un débit de vent optimal pour lequel la température est bonne et la production satisfaisante. D'autre part, au niveau du gueulard, les pertes en matières et fumées polluantes sont importantes. La technique mixte connue dite coke-gaz permet, outre une amélioration du rendement thermique et un accroissement de la production horaire, une plus grande souplesse de fonctionnement. En effet, la puissance calorifique délivrée par les brûleurs et le réglage de la combustion constituent deux paramètres qui s'ajoutent au débit de vent aux tuyères. Mais, en l'état actuel de la technique, ce procédé est limité aux fontes grises, dont la température de coulée n'excède pas 1 TOOOC. Ainsi, jusqu'à présent, l'utilisation du gaz naturel se trouvait exclue du domaine des fontes nobles, fontes alliées et fontes spéciales notamment, dont la température de coulée est de 1550OC environ, et dont la production croît de façon régulière tandis que les nuances classiques régressent. L'objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités. Pour ce faire, le procédé de la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes successives distinctes, à savoir - une première étape comprenant un préchauffage de la charge et la fusion du métal au moyen essentiellement d'une combustion d'un combustible liquide et/ou gazeux, et - une deuxième étape comprenant une surchauffe en atmosphère carburante du métal fondu issu de ladite première étape. Ce procédé permet d'obtenir de très hautes températures au niveau de ladite deuxième étape, et de réaliser un contact intime, à de telles températures, entre l'élément carburant, tel que du coke ou du graphite par exemple, et le métal fondu, résultant par là en l'obtention d'une fonte au caractère métallurgique désiré. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, la présente invention prévoit un cubilot de fonderie, du type utilisant un combustible liquide et/ou gazeux et un agent carburant, caractérisé en ce qu'il comporte - une partie supérieure constituée par une cuve équipée à sa partie inférieure de bruleurs à combustible liquide et/ou gazeux et comportant à sa partie inférieure un support de la charge sous la forme d'une grille convenablement refroidie, et - une partie inférieure ou creuset, munie d'un système de chauffage et recueillant le métal fondu provenant de ladite cuve. Les deux étapes successives du procédé s'effectuent ainsi à des niveaux parfaitement distincts, dans le cubilot. Ce dispositif permet tout particulièrement une souplesse de conduite tout à fait remarquable, par fixation réglage appropriés des conditions opératoires à chaque stade, le réglage des brûleurs dans la partie supérieure fixant la production horaire, le réglage du système de chauffage en atmosphère carburante dans la partie inférieure déterminant la température, et agissant sur la carburation de la fonte obtenue. L'invention sera mieux comprise, et ses buts, caractéristiques, détails et avantages apparaitront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre, en se reportant au desain schématique annexé donné à titre d'exemple non limitatif, illustrant un mode de réalisation spécifique de l'invention, dans lequel la figure unique représente une vue schématique d'une coupe longitudinale d'un cubilot de fonderie selon la présente invention. Le cubilot 10 de la figure comprend à sa partie supérieure, référencéeenî,une cuve 11, dont les parois 12 sont inclinées par rapport à la verticale, et vont en s'évasant vers le bas à partir du gueulard 9. Une grille 13 formée de barreaux refroidis, constitue le moyen de support de la charge ; cette charge comprend le métal à fondre 15, du coke 16, et de la castine 17. Sur le pourtour d'une chambre 18, ménagée sous la grille 13, sont prévus des brûleurs à combustible liquide et/ou gazeux, tels que 19. La partie inférieure du cubilot 10, référencée en II sur la figure, est constituée par unareuset2O disposé coaxialement à la cuve 11 ; des tuyères pour l'arrivée du "vent", telles que 21 ou 22, sont prévues à ce niveau. Du coke 23, introduit par un dispositif non décrit, débouchant en 24 dans la chambre 18, remplit en grande partie le creuset. Au fond de ce dernier sont prévus un trou de coulée 25 pour la fonte, et un dispositif de décrassage 26 pour l'évacuation du laitier. La charge reposant sur la grille est constituée essentiellement par du métal : l'introduction de 2% environ en poids de coke 1 6 dans les charges enfournées au gueulard 9 assure la porosité de la colonne ; la bonne descente des matières est ainsi facilitée par la présence du coke 16 qui évite les collages, et par la pente donnée aux parois 12 de la cuve 11, cette dépouille étant destinée à empêcher la formation de ponts dans la charge par accrochage de celle-ci sur les parois. La grille 13 peut par exemple être constituée par des tubes où circule une eau de refroidissement. Les brûleurs, tels que 19, qui peuvent être au nombre de trois par exemple, sont réglés de telle sorte que le débit calorifique et le facteur d'air de combustion correspondent aux conditions de marche recherchées. Ces brûleurs, qui peuvent être avantageusement ceux décrits dans les demandes de brevet 71 17 828 ou 73 38 298, doivent présenter une très grande souplesse de fonctionnement. Le métal fondu s'écoule à une température variable selon les conditions de fonctionnement et la composition de la charge, mais généralement comprise entre 12000C et 13600C et proche en moyenne de 12700C, entre les barreaux dans la chambre 18 avant d' atteindre le creuset 20 où steffectue la surchauffe. Cette surchauffe est réalisée au moyen du coke 23, qui sert également d'agent carburant, brûlant soit en atmosphère d'oxygène pur, soit avec un vent enrichi en oxygène, arrivant par exemple au moyen de quatre tuyères métalliques refroidies à l'eau telles que 21 ou 22. On introduit le coke 23, de façon semi-continue par exemple, par l'orifice 24, situé au-dessous de la grille support de charge, à raison de 3 à 7% du poids de la charge métallique. On peut voir que, selon le mode de réalisation représenté par la figure, la section transversale du creuset 20 est infé rieure à la section transversale de la cuve 11 au niveau de la grille 13 : le rétrécissement du creuset constituant la partie inférieure de l'appareil permet d'obtenir - une hauteur de ruissellement importante conduisant à un contact intime et prolongé des gouttelettes de fonte avec le coke incandescent malgré la faible quantité de coke introduite. 1l en résulte une surchauffe et une carburation très élevée pour le métal compte tenu des températures régnant dans cette zone, qui peuvent atteindre plus de 2100 C au-dessus des tuyères; - une excellente combustion du coke et un très bon facteur de uonvection malgré la faible quantité de comburant introduite en volume, du fait de l'utilisation d'oxygène. Cette disposition pôrticulière, constituant un mode de réalisation préféré de l'invention permet, par exemple, d'atteindre une température de 16000C pour la fonte coulée au chenal 25 avec une quantité de coke introduite par le dispositif débouchant en 24 de l'ordre par exemple de 6% en poids par rapport à la charge métallique fondue, et en utilisant un vent ayant une teneur en oxygène de 40% environ au niveau des tuyères 21 et 22. Dans le mode de réalisation représenté par la figure, la hauteur de la colonne de charge au-dessus de la grille 13 peut être comprise entre 1,6 m et 3 m, et atteint couramment 2,2 m, celle de la chambre 18 : 400 à 700 mm, celle de la colonne de coke au-dessus de l'ase des tuyères : 300 à 700 mm. La hauteur de l'axe des tuyères par rapport à la base du creuset dépend du type de coulée envisagé, puisqu'elle est fonction de. la capacité de fonte pnuvant être contenue dans le creuset : le mode de réalisation de la figure correspond à un appareil fonctionnant en oe'piquées, avec décrassage semi-continu : pour un fonctionnement en coulée continus avec chenal auto-décrasseur, les tuyères seraient très proches de la base du creuset. Les produits de combustion issus de la paillasse de coke 23 sont repris et totalement oxydés au niveau des brûleurs 19, qui fonctionnent en léger excès d'air. La fusion s'effectue ainsi sous atmosphère oxydante, ce qui permet d'annuler quasiment les pertes par chaleur latente au gueulard et la pollution atmosphérique par les gaz dégagés. Par comparaison avec un cubilot classique dont les paramètres essentiels de réglage sont le taux de coke entre charge et le débit de vent aux tuyères, l'invention décrite permet de conduire la refus ion en jouant sur - la puissance calorifique délivrée par les brûleurs, - le réglage de la combustion des brûleurs en rapport airgaz, - le réglage de la post!-combustion dans la chambre 18 des produits issus de la paillasse de coke, - le taux de coke introduit dans le creuset, - le pourcentage d'oxygène dans le vent, - le débit de vent aux tuyères. La séparation des fonctions fusion et surchauffe permet par ailleurs de conduire la surchauffe et la carburation uniquement en fonction des températures régnant dans la paillasse de coke, et donc du réglage de la combustion à ce niveau. Selon une réalisation particulière de l'invention, le pourcentage d'oxyde de carbonne contenu dans le gaz du gueulard est maintenu à une valeur très faible et constante au moyen d'un dispositif électronique de régulation agissant sur le débit d'air au brûleur à débit de gaz constant, ou sur le débit de gaz à débit d'air constant. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution décrit et représenté, qui n' a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier,les brûleurs 19 peuvent être placés éven tuellement juste au-dessus de la grille support 13 ; il est également possible de mettre en oeuvre deux rangs de brûleurs l'un tel que 19, l'autre situé au-dessus de a grille 13. De même, la surchauffe en atmosphère carburante, réalisée au cours de la deuxième étape, peut également s'effectuer par tout autre type de chauffage, tel que par exemple un chauffage électrique à induction-convection. Ainsi, par les variantes qu'il permet d'envisager, et par le nombre de paramètes variables qu'il introduit, on peut affirmer que le procédé de la présente invention amène logiquement à une conduite automatiaée du processus, et se pose en concurrent sérieux du four électrique qui tend actuellement à remplacer le cubilot coke classique pour la production des nuances de fonte les plus nobles. Bien entendu, la présente invention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont effectuées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé de refusion de la fonte à partir d'une charge métallique, caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes successives distinctes à savoir - une première étape comprenant un préchauffage de ladite charge métallique jusqu'à fusion de celle-ci, au moyen essentiellement d'une combustion d'un combustible liquide et/ou gazeux, et - une deuxième étape comprenant une surchauffe en atmosphère carburante du métal fondu issu de ladite première étape. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la surchauffe, au cours de ladite deuxième étape, au moyen de coke, brûlant soit en atmosphère d'oxygène pur, soit avec un vent enrichi en oxygène. 3- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la surchauffe, au cours de ladite deuxième étape, au moyen d'un chauffage électrique à induction-convection. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en obtt l'atmosphère carburante dans laquelle est conduite ladite deuxième étape au moyen d'un agent carburant tel que par exemple du coke ou du graphite. 5 - Cubilot de fonderie pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type utilisant un combustible liquide et/ou gazeux et un agent carburant, caractérisé en ce qu'il comporte - une partie supérieure constituée par une cuve équipée vers sa partie inférieure de brûleurs à combustible liquide et/ou gazeux et comportant un support de la charge sous la forme d'une grille convenablement refroidie, et - une partie inférieure ou creuset, munie d'un système de chauffage et recueillant le métal fondu provenant de ladite cuve. 6 - Cubilot selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cuve comprend à sa partie inférieure une chambre située endessous de la grille support de charge, et se prolongeant par le creuset, ladite chambre étant équipée d'au moins une partie desdits brûleurs à combustible liquide et/ou gazeux et/ou d'un orifice de chargement de l'agent carburant du creuset. 7 - Cubilot selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie desdits brûleurs à combustible liquide et/ou gazeux est disposée au-dessus de la grille support de charge. 8 - Cubilot selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les parois de la cuve supérieure sont sensiblement inclinées par rapport à la verticale et vont en s'évasant vers le bas. 9 - Cubilot selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le creuset a une section transversale inférieure à celle de la partie supérieure au niveau de la grille support de charge. 10 - Cubilot selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la partie inférieure est disposée coaxialement à la partie supérieure. 11 - Fonte obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.