Brevet FR2386607A1 — publié le 19781103

ta présente invention est relative à l'élaboration au four électrique à arc de fonte de moulage au silicium et notamment de fonte contenant de 2 à 4,4 % en poids de carbone et de 1 à 5 % en poids de silicium. La présente invention est relative plus particulièrement à l'élaboration au four électrique à arc de fonte de base à utiliser pour le moulage en fonderie de pièces en fonte ductile, soit directement en première fusion, ctest-à-dire en provenance directe du four à arc moyennant un traitement de mise à nuance finale à la sortie du four à arc, soit en deuxième fusion, après lingotage de la fonte de première fusion. Pour l'élaboration de pièces en fonte ductile, il est nécessaire de disposer d'une fonte de base présentant, d'une part,. des teneurs en oligo-éléments suffisamment faibles, d'autre part, des teneurs en carbone et silicium respectivement comprises entre 3,3 et 4,1 ffi et entre 1,5 et 3,5 % en poids. Le four à arc ne permet pas, à priori, de produire directement une fonte à plus de 0,5 % en poids de Si sans apport du silicium sous forme de ferro silicium par exemple. En effet, le pouvoir reducteur du four à arc reste en gdn6- ral faible comparé à celui d'un haut fourneau par exemple et, en tout cas, insuffisant pour envisager la réduction de la silice par le carbone dans les conditions habituelles d'utilisation du four à arc. Certes apport de silicium par dissolution du ferro-silioium est un moyen bien connu. Mais il. est coûter et ne se justifie, au point de vue économique, que pour 11 inoculation, c'est-à-dire pour l'apport de faibles quantités de silicium. La présente invention vise à fournir un procédé d'élaboration au four électrique à arc d'une fonte contenant de 2 à 4,4 en poids de carbone et de 1 à 5 % en poids de silicium, notamment de 3,3 à 4,1 % en poids de carbone et de 1,5 à 3,5 % en poids de silicium,par production du silicium au cours de l'éléborationoelaftnt La présente invention a pour objet un procédé d'élaboration au four électrique à arc d'une fonte contenant de 2 à 4,4 % en poids de carbone et 1 à 5 % en poids de silicium à partir de minerais préréduits ou de ferrailles, par fusion des minerais préréduits ou des ferrailles avec des fondants et addition de carbone, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit dans le four à arc de la silice que lton réduit par du carbone. Ce procédé peut être réalisé suivant deux modes de mise en oeuvre avantageux. Suivant un premier mode de mise en oeuvre, on élabore d'abord une fonte dans le four électrique à arc, à partir de minerais préréduits ou de ferrailles, par fusion avec des fondants et addition de carbone, puis on introduit dans le four électrique A arc la silice en mélange avec des fondants permettant la formation d'un laitier basique et on fond ce laitier, on ajoute alors, entre les élec- trodes du four, de la silice et du carbone de façon à former du si licium par réduction de la silice par le carbone Jusqu'à l'obtention de la teneur désirée en silicium de la fonte, on élimine ensuite le laitier par décrassage et l'on procède à la coulée. Ce mode de mise en oeuvre présente l'avantage d'être appli cable à n'importe quelles qualités de matières premières, minerais préréduits ou ferrailles, utilisées pour la production du rer de la fonte. En effet, au cours de cette élaboration préalable de la fonte on peut, ai besoin est, éliminer partiellement ou totalement les éléments nuisibles à l'élaboration de la fonte ductile, par exemple par oxydation après fusion, puis décrassage du laitier obtenu. Cependant, ce mode de mise en oeuvre nécessite une opération supplémentaire de réduction s'aJoutant à celle d'élaboration de la fonte ce qui, théoriquement, entrain une prolongation du temps total d'utilisation du four à arc entre deux coulées successives. Suivant un second mode de mise en oeuvre, on effectue lten- semble des opérations d'élaboration de la fonte et du silicium du premier mode de mise en oeuvre simultanément. Aoet effet, on alimente un four électrique à arc en continu entre les électrodes simultanément avec du minerai préréduit ou des ferrailles ramenées à des dimensions homogènes, un mélange de fondants et de silice per mettant la formation d'un laitier basique et du carbone, on élimine CI laitier formé à la fin de l'opération d'alimentation par décrassage et l'on procède à la coulée. Ce mode de mise en oeuvre, qui présente l'avantage de ne nécessiter qu'une seule opération, permet d'obtenir des temps de coulée coulée plus courts que précédemment. Ce second mode de mise en oeuvre nécessite, à l'intérieur du four à arc, une production de silicium supérieure à celle nécessaire uniquement pour la fonte car une partie du silicium est consommée pour réduire les oxydes de fer résiduels et se transforme par conséquent en silice au lieu de s'incorporer à la fonte. Aussi, pour un four industriel relativement puissant (plus de 450 KW/t de capacité) on n'enregistre un gain effectif sur le temps de coulée à coulée que lorsque le degré de métallisation (Fer métallique/Fer total contenu) des minerais de fer préréduits est supérieur à 75 %. On notera que la plupart des minerais préréduits ont un degré de métallisation supérieur à 85 ffi et que l'on enregistre alors un gain de temps par rapport au mode de mise. en oeuvre précédent avec fusion puis réduction séparées. D'autres caractéristiques et avantages apparaStront au cours de la description qui va suivre. La figure unique, donnée uniquement à titre d'exemple, est une vue schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention qui comporte : - un four à arc électrique triphasé 1 du type basculant, à trois électrodes 2 (dont deux seulement sont représentées en raison de la vue en coupe). Ce four comporte un orifice 3 de décrassage pouvant servir également à l'introduction d'une lance de soufflage utilisée dans le procédé de l'invention pour l'injection de poudres. A travers la voûte du four est ménagé un orifice d'alimentation 4. Le four est pourvu d'un chenal de coulée 5. - une installation d'alimentation en continu des minerais préréduits ou des ferrailles ramenées à des dimensions homogènes, des constituants du laitier (chaux, silice par exemple), des produits à base de carbone (coke, charbon par exemple en morceaux) comportant, outre des trémies de stockage non représentées, des distributeurs fixe 6 et amovible 7, une goulotte de réception 8 prolongée par un tube incliné 9 traversant l'orifice d'alimentation 4, de telle manière que les matières introduites dans le four 1 par le tube 9 aient un point d'impact P situé entre les trois électrodes 2. - une installation d'injection de poudres dont seule une lance 10 de soufflage est ici représentée en position de soufflage à travers l'orifice 3 de décrassage du four 1. - un dispositif de post-traitement, c'est-à-dire d'apport final d'éléments d'addition à la fonte, à la sortie du four 1: ce dispositif place au-dessus du chenal de coulée 5 consiste en une goulotte il prolongée par un tube 12 permettant le déversement au chenal des éléments d'addition servant à obtenir la composition finale de la fonte, c'est-à-dire sa mise à nuance lors de la coulée dans une poche 13. On envisage, conformément à l'invention, deux modes de mise en oeuvre - l'un dans lequel la réduction de la silice est effectuée après la fusion complète et la réduction des minerais de fer préréduits ou de ferrailles, - l'autre dans lequel la réduction de la silice est effectuée simultanément à la fusion et à la réduction des minerais de fer préréduits ou des ferrailles (dans le cas de ferrailles ramenées à des dimensions homogènes, par exemple des ferrailles déchiquetées). Premier mode de mise en oeuvre Pour fondre et réduire les minerais de fer préréduits ou les ferrailles, on alimente le four électrique à arc comportant trois électrodes en une certaine quantité de minerais de fer préréduits ou de ferrailles, à laquelle on ajoute des fondantes, de manière à obtenir la formation d'un bain métallique et d'un laitier, puis on ajoute au bain métallique un agent carburant nécessaire pour apporter le carbone de la fonte Les minerais préréduits sont en morceaux, en boulettes ou en agglomérés. Ils peuvent être introduits en continu. Les ferrailles peuvent également être introduites en continu lorsqu'elles sont ramenées à des dimensions homogènes ou bien de manière discontinue lorsqu'elles sont de dimensions variables. Les fondants (chaux dolomie) sont ajoutés (en continu ou en discontinu) de manière à permettre la formation d'un laitier basique.L'agent carburant est du graphite, du charbon ou du coke L'agent carburant peut avantageusement être introduit sous forme de poudre au moyen de la lance 10. Les minerais préréduits contiennent essentiellement du rer métallique,-un peu d'oxydes de fer, de la silice, de l'alumine et du carbone, et, en pourcentages encore plus faibles, d'où le nom d'oligo-éléments, des éléments tels que : le phsophore, le soufre, le man ganèse, le chrome, le vanadium, le titane et autres éléments minéraux habituellement contenus dans les minerais de fer. Conformément à l'invention, après la fusion du minerai de fer préréduit et l'obtention d'une fonte, on charge au four électrique des constituants permettant la formation d'un laitier synthétiqueJ c' est-à-dire un mélange de chaux, de dolomie et de silice, au moyen de la lance de soufflage 10 ou plutôt au moyen de l'installation d'alimentation continue des produits en morceaux, ce qui est avantageux pour la suite des opérations. I1 est important de choisir judicieusement la composition des constituants de ce laitier de manière à obtenir au départ un laitier basique, pratiquement exempt d'oxyde ferreux FeO. Ce laitier est avantageusement constitué par le chargement au four à arc de silice, dolomie et chaux en morceaux dans les proportions suivantes (en poids) silice - 30 à 35 ffi dolomie - 35 à 40 % chaux - 25 à 35 % Puis on procède à l'opération de fusion de ce laitier. On forme ainsi un laitier sur une hauteur au moins double de la longueur théorique de l'arc. Le laitier est figé sur la périphérie et liquide au centre dans la zone des électrodes, grecs au choix de sa constitution basique, ctest-à-dire à indice de basicité représenté par des rapports CaO et CaO + E supérieurs à 1,5.L'opération Si02 St02 A1 03 de fusion-réduction du laitier au-dessus du bain métallique de fonte s'effectue donc uniquement au centre, dans la zone des électrodes du four, qui est celle où la température est la plus élevée. Dans la zone des électrodes, on effectue alors des apports continus de carbone et de silice en morceaux nécessaires à la formation du silicium par réduction de la silice par le carbone. Ces apports sont effectués en fonction de la vitesse de réduction de la silice. Du fait que le laitier est relativement figé en dehors de la zone des électrodes, le carbone apporté reste dans la zone de l'arc où les hautes températures qui y règnent permettent de réduire la silice contenue dans le laitier de cette zone. Le silicium ainsi obtenu à partir de la silice réduite de cette manière est ainsi apporté à la fonte sous-Jacente. Durant la réduction de la silice, il y a lieu d'éviter l'utilisation comme source de carbone de produits à forte teneur en ma- tières volatiles; en effet, celles-ci en se dégageant dans la zone de réduction entrassent un départ de SiO, qui est un état intermsé diaire gazeux de la réduction de la silice en silicium, ce qui diminue le rendement global de production de silicium. Ayant atteint le taux de silicium désiré pour la fonte, on arrête l'apport de carbone et de silice. Il faut alors fluidifier le laitier sur toute la surface du bain. Ceci s'effectue en modifiant la longueur de l'arc de manière à rayonner sur le bain et en effectuant quelques additions de spath fluor qui abaissent le point de fusion du laitier. bri peut alors décrasser le laitier par l'ori- fice 3, puis procéder à la coulée. A titre d'exemple On utilise un four à arc d'une capacité de 6 à 7 tonnes, d'une puissance de 3000 KVA dans lequel on a conservé un pied de bain d'une opération précédente. On introduit en continu des boulettes de minerai préréduit d'origine suédoise ayant une granulométrie de 10 à 16 mm et contenant, comme éléments principaux, 92,4% de fer total, 85,1 ffi de fer métallique, 1,1 % de carbone, 2,02 % de silice et 0,7 % d'alumine. On ajoute des fondants (chaux et dolomie) puis du carbone au cours de la formation du bain métallique. On procède à l'addition des constituants contenant de la silice permettant la formation d'un laitier basique (N raison de 130 à 170 kg par tonne de fonte à obtenir), puis à l'addition de silice et de carbone au fur et à mesure de la réduction de la silice. En utilisant ce procédé, il à été possible d'obtenir des fontes à plus de 1,3 % Silicium par réduction directe de la silice. Durant les essais correspondants, la vitesse de production du silicium a été de l'ordre de 1 kg Silicium par minute et par MW de puissance utile (MW utile = MW absorbé - pertes électriques et thermiques). La quantité de carbone apportée, qui dépend du pourcentage en silicium visé, est de 2,1 à 2,5 kg de carbone par kg de silicium. Le rendement en carbone est de 35 à 40 %. La. composition de la fonte ainsi obtenue a été la suivante: Carbone 4,3 % Silicium > 1,3 % Soufre ( o,06 % Deuxième-mode de mise en oeuvre Il diffère du premier par le fait qu'au lieu d'attendre la fin de la fusion des minerais préréduits ou des ferrailles pour introduire les éléments constituants d'un laitier, on alimente en continu le four à arc, dès le début, simultanément en minerais de fer préréduits ou en ferrailles ramenées à des dimensions homogènes, en éléments de constitution du laitier et en carbone destiné à la réduction du laitier. Après avoir constitué un pied de bain, soit par conservation d'une partie du métal de la coulée précédente, soit par fusion sèche d'une partie de la charge, on démarre donc l'alimentation continue de minerais préréduits, chaux, dolomie, silice et source de carbone en morceaux. Les proportions de chaux, dolomie, silice et minerais préréduits ou ferrailles sont choisies de manière à obtenir les mêmes indices de basicité que lors du premier mode d'exécution et une épaisseur de laitier en fin d'opération sensiblement égale au double de la longueur théorique de l'arc. Comme dans le premier mode de mise en oeuvre, c'est la technique du laitier figé sur la périphérie qui est utilisée. I1 faut admettre que le silicium formé près des électrodes sert à réduire partiellement les oxydes de fer résiduels des minerais de fer préréduits et se retransforme en silice, et que seul l'excédent de silicium vient enrichir le bain de fonte. A titre d'exemple En partant du même minerai préréduit, il a été possible, en utilisant ce procédé, d'obtenir également des fontes à plus de 1,3 % de silicium et contenant de 3,5 à 3,8 % de carbone et moins de 0,06 % de soufre. La quantité de carbone a été de 1,3 kg par kg de silicium total produit dans la fonte finale et le rendement en continu est supérieur à 50 % et peut mAeme atteindre 70 . Durant les essais correspondants, la vitesse de production du silicium a été de l'ordre de 1,1 kg de silicium par minute et par MW de puissance utile disponible pour la réduction de la silice. Donc comparativement au mode opératoire précédent, (fusion puis réduction) on voit que la vitesse de production du silicium a été plus élevée, ce qui a d'ailleurs permis de gagner environ 2 KWh par kg de silicium produit. Ces gains se traduisent alors par un temps total de fusion-réduction plus court dans le cas présent que celui enregistré dans le cas de la fusion suivie de la réduction. En résumé, les deux modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention présentent l'intérêt de produire une quantité notable du silicium de la fonte, dans des conditions économiques avantageuses, par réduction de la silice. On choisira l'un ou l'autre mode de mise en oeuvre suivant la composition des minerais de fer préréduits dont on dispose.En particulier si, par exemple, les minerais de fer préréduits comportent des oligo-éléments tels que vanadium, manganèse, chrome, titane, en teneurs telles qu'elles risquent de nuire à la production d'une fonte ductile, on choisira de préférence le premier mode de mise en oeuvre qui autorise la conduite de la fusion en phase plutat oxydante et évite ainsi le passage de ces éléments dans le métal et les maintient dans le laitier qui sera éliminé avant la constitution du laitier destiné à être réduit pour la production du silicium. Ce mode de mise en oeuvre est également recommandé dans le cas où le degré de métallisaiton est faible (inférieur à 75 %). Par contre, si les minerais préréduits ne contiennent pas ou suffisamment peu de tels oligo-éléments, on aura tout intérêt à choisir le second mode de mise en oeuvre qui conduit à un temps opératoire et une consommation électrique plus faibles. Dans le cas de l'utilisation de ferrailles, on choisira le premier mode ou le second mode d'exécution suivant des critères semblables d'analyse chimique, mais de plus interviendra la forme physique de oes ferrailles, c'est-à-dire la possibilité ou non de les charger en continu dans le four électrique à arc. Ainsi, dans le cas des ferrailles déchiquetées par exemple, il sera possible d'envisager le second mode de mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration au four électrique à arc d'une fonte contenant de 2 à 4,4 % en poids de carbone et 1 à 5 % en poids de silicium à partir de minerais préréduits ou de ferrailles, par fusion des minerais préréduits ou des ferrailles avec des fondants et addition de carbone, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit dans le four à arc de la silice que lton réduit par du carbone. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on élabore d'abord une fonte dans le four électrique à arc, à partir de minerais préréduits ou de ferrailles, par fusion avec des fondants et addition de carbone, puis on introduit dans le four dlec- trique à arc la silice en mélange avec des fondants permettant la formation d'un laitier basique et on fond ce laitier, on ajoute alors, entre les électrodes du four, de la silice et du carbone de façon à former du silicium par réduction de la silice par le carbone Jusqu'à l'obtention de la teneur désirée en silicium de la fonte, on élimine ensuite le laitier par décrassage et 1'on procède d la coulée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en oe qu t on alimente un four électrique à arc en continu entre les électrodes simultanément avec du minerai préréduit ou des ferrailles ramenées à des dimensions homogènes, un mélange de fondants et de silice permettant la formation d'un laitier basique et du carbone, on éli- mine le laitier formé à la fin de l'opération d'alimentation par décrassage et l'on procède à la coulée. 4. Procédé selon la revendieation 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange de silice et de fondants permettant la formation d'un laitier basique comprend en poids de 30 à 35 ffi de silice, de 35 à 40 ffi de dolomie et de 25 à 35 % de chaux. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on forme un laitier à base de silice sur une hauteur au moins double de la longueur théorique de l'arc. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé-en ce qu'on utilise un laitier figé sur la périphérie et liquide au centre dans la zone des électrodes, puis lton effectue des apports continus de carbone et de silice dans la zone des électrodes.