Brevet FR2391281A1 — publié le 19781215

La présente invention concerne un procédé pour l'apport d'énergie thermique aux charges d'acier en fusion dans lequel on brûle conjointement avec de l'oxygène un combustible, de préférence du carbone et/ou des hydrocarbures. -Dans le cadre de la production d'acier à grande échelle industrielle, on connait à ce jour essentiellement deux voies pour apporter la chaleur aux masses de fer en fusion. L'une des possibilités consiste à utiliser de l'énergie électrique. Ce sont principalement les fours électriques à arc et å induction qui se sont imposés dans ce domaine dans la pratique. L'inconvénient de cette technique de fusion et de chauffage de l'acier réside d'une part dans le temps relativement long de succession des chargements et d'autre part dans le prix élevé de l'énergie électrique et la rentabilité plus faible qui en résulte. Dans la deuxièmevoie d'apport thermique, on fait brûler un combustible dans un espace situé au-dessus du bain de métal dans une atmosphère oxydante et on envoie la chaleur ainsi libérée au bain d'acier par rayonnement de chaleur, convection ou conduction de chaleur. C'est essentiellement selon ces principes que fonctionnent les procédés de fabrication de l'acier affiné sur sole, comme par exemple dans le procédé Martin-Siemens. La plus grande partie de la production d'acier est actuellement assurée par les procédés à convertisseurs dans lesquels on utilise presque exclusivement la chaleur qui se forme par combustion des impuretés présentes dans la' fonte brute lors de l'affinage. Suivant la composition de la fonte brute et en utilisant de l'oxygène pur, on peut de ce fait incorporer par fusion environ 20 à 30% de ferrailles par rapport au poids de la charge. Dans la fabrication de l'acier en convertisseur, on s'efforce d'accroitre la proportion de ferrailles en fonction du prix et de la disponi bilité de celles-ci. On a fait appel à cet effet à deux procédés de la mise en oeuvre de ce principe dans la pratique. On soumet les ferrailles à un pré-chauffage avant le remplissage du convertisseur à l'aide de fonte brute; De cette façon, on ne parvient d'une part qu'à accroitre la proportion de ferrailles que jusqu'à environ 8% au maximum tandis què ce procédé est par ailleurs entaché du désavantage d'une productivité moindre et d'une plus grande usure en matériau réfractaire. La seconde voie consiste en une post-combustion d'oxyde de carbone, dans l'enceinte du convertisseur. Le CO se forme pendant le processus d'affinage dans le bain de fonte. Le temps d'affinage relativement court et la température maximale des gaz braies à respecter pour ménager le garnissage du convertisseur en matériau réfractaire, limitent finalement l'accroissement de la charge de ferrailles à environ 3%. L'addition d'un combustible, tel que par exemple du charbon, dans le bain de fonte en vue de sa combustion par introduction de quantités correspondantes d'oxygene, ne permet d'obtenir aucune récupération de chaleur utilisable car la chaleur de réaction produite lors de la combustion dans les conditions courantes dé la fabrication de l'acier suffit tout juste 'à chauffer le gaz de réaction formé au cours de cette combustion, de préférence CO et H2, à la température de l'acier liquide présent dans le convertisseur. Le but de l'invention est de fournir un procédé qui permette d'apporter de la chaleur au bain d'acier, dans les conditions qui règnent dans une enceinte d'affinage courante pour des masses d'acier en fusion, par le brtlage d'un combustible, de préférence du carbone et/ou des hydrocarbures conjointement avec de I. oxygène. Le procédé suivant l'invention, est caractérisé en ce qu'on fait brûler conjointement avec de l'oxygène, des substances renfermant du carbone et/ou des hydrocarbures et on souffle les gaz de combustion qui sont constitués au moins partiellement de CO et 2 et H20 à travers une masse d'acier en fusion dont la teneur en carbone s'élève au maximum à 0,10*. I1 s'est ainsi avéré d'une manière surprenante que , contrairement à l'opinion généralement admise jusqu'à présent, il existe dans une masse d'acier en fusion des conditions dans lesquelles se forme un gaz de combustion qui possède un degré d'oxydation nettement plus élevé à celui qui correspond à l'état d'équilibre avec la masse en fusion. Conformément à cette caractéristique trouvée dans le cadre de l'invention, il est possible de faire brûler le combustible de préférence du carbone et/ou des hydrocarbures, avec de l'oxygène dans le bain en produisant une proportion en pourcentage élevée de C02 et E20, tandis qu'au cours de ce stade d'oxydation on libère en plus de la quantité de chaleur destinée au chauffage des gaz réactionnels, de l'énergie thermique supplémentaire qui sert au chauffage de la masse en fusion. I1 est particulièrement avantageux d'envoyer le combustible et l'oxygène par des brûleurs correspondants qui sont ménagés dans la maçonnerie en réfractaire au-dessous de la surface du bain. L'tnvention n'est toutefois nulleraent lizttée auxdits brûleurs et à leur agencement. Par exemple on peut également opérer avec des brailleurs qui dirigent le gaz de combustion sur le bain avec une grande force impulsive , ce qui lui permet ainsi de pénétrer à l'intérieur de la-masse en fusion. D'une façon surprenante, lors de l'introduction des combustibles et de l'oxygène dans une masse en fusion à l'aide des brûleurs précités, il est possible, pour une teneur des scories d'environ 10 à 15% en oxyde de fer, correspondant à une teneur d'environ 0,05% en oxygène dans le bain, d'obtenir à la sortie du bain d'acier un gaz résiduaire qui est constitué d'environ 50% en CO2. Aux conditions d'équilibre, cette teneur en oxygène -des scories et du bain correspond à une teneur d'environ7% en CO2 dans le gaz résiduaire. Pour une teneur en oxygène plus élevée dans la masse en fusion qui est liée à une teneur plus faible en carbone correspondante, il existe également des conditions qui empêchent de façon importante une réduction des gaz résiduaires de nature oxydante et pour lesquelles la chaleur se trouve toutefois transférée du processus de combustion dans le bain. Comme combustibles on peut utiliser toutes les substances contenant du carbone et des hydrocarbures en accordant toutefois la préférence aux combustibles à chaleur de combustion élevée. On peut, par exemple, recourir à du charbon ou du coke broyé y compris la lignite et le coke de lignite. Comme hydrocarbures liquides, on peut utiliser par exemple du fuel-oil, du fuel lourd ou des fractions d'huile lourde produites au cours du raffinage du pétrole. On peut toutefois également utiliser des hydrocarbures gazeux, comme par exemple du gaz naturel, du propane, du gaz de four à coke ou des substances analogues. Pour une meilleure compréhension du procédé de l'invention, on se référera aux dessins annexés donnés à titre d'exemples nullement destinés à limiter l'invention dans son cadre et son esprit, et dans lesquels la figure 1 montre la teneur en CO2 dans les gaz brûlés du convertisseur, en fonction de la teneur en oxyde de fer des scories du convertisseur. Les rapports ou corrélations représentés dans la figure 1, sont le résultat de l'utilisation du'procédé de l'invention dans un convertisseur renfermant une masse d'acier en fusion d'environ 1 tonne. Dans ce convertisseur, on a envoyé en-dessous de la surface du bain du fuel lourd et de l'oxygène, dans la proportion de 1,2mise 02, mesuré aux conditions normales de température et de pression, pour 1- litre de fuel. D'après le graphique, il y a lieu d'admettre que llon peut en fait déjà utiliser le procédé pour une teneur en oxyde de fer d'environ 58 dans les scories, tandis que la teneur en carbone dans le bain d'acier est de l'ordre d'environ 0,10%, dans quel cas le rendement thermique industriel ne s'élève- toutefois qu'à environ 20%.On n'atteint m rendement thermique élevé et, par suite, unie rentabilité optimale que lorsque la teneur en oxyde de fer dans les scories se situe dans l'intervalle d'environ 10% et davantage. Cela signifie que le domaine d'application principal de l'invention vise les masses d'acier en fusion dont la teneur en carbone s'élève à 0,05% ou moins. Pour cette raison, dans le cadre de l'invention, afin de procéder à une utilisation optimale dé l'énergie thermique, il y a lieu d'abaisser au préalable la teneur en carbone à de faibles valeurs de l'ordre d'environ 0,05% avant de recourir aux caractéristiques de l'apport de chaleur selon l'invention. Le fait que le combustible et ltoxygene réagissent d'abord avec une importante oxydation du combustible présente une importance essentielle dans le cadre de l'invention. Pour cette raison, il est nécessaire d'introduire le combustible et l'oxygène par l'intermédiaire de dispositifs qui assurent tout d'abord une réaction du combustible avec l'oxygène. Il peut être avantageux indépendamment du chauffage par l'intermédiaire de la flamme plongeant dans le bain de métal d'introduire complémentairement et séparément dans la masse en fusion ou les scories, des agents ou milieux renfermant du carbone ou des hydrocarbures pour réactions métallurgiques. Cette mesure peut avoir une grande importance lorsqu'on fait fonctionner le ou les brailleurs dans des conditions qui sont optimales pour le processus de chauffage mais dans lesquelles on doit toutefois éviter une variation de la composition du bain d'acier dans laquelle se produirait un degré d'oxydation élevé. L'introduction séparée de substances renfermant du carbone permet de maintenir le degré-d'oxydation de la masse en fusion dans un état défini tout en rendant possible néanmoins de conduire le processus d'apport thermique de telle façon qu'il soit mis en oeuvre avec un-rendement optimal. Le procédé de l'invention convient non seulement d'une façon prépondérante à l'accroissement de la proportion de ferrailles et à l'introduction dans la masse en fusion d'autres agents refroidisseurs, tels que par exemple du minerai- ou de la grenaille de fer dans les convertisseurs classiques,-mais il offre encore par ailleurs la possibilité de recourir à.un procédé de fabrication de l'acier en continu. A cet effet, on peut tout d'abord amener dans un récipient d'affinage une masse de fonte brute en fusion à la basse teneur en carbone s'élevant au maximum 'à 0,10% conformément à l'invention, en lui amenant de façon continue des éléments porteurs de fer,-par exemple de la ferraille, de la grenaille de fer, du minerai de fer et des mélanges desdits -éléments.Afin de faire fondre lesdits éléments porteurs de fer, on envoie dans le bain d'acier des quantités correspondantes de combustible et d'oxygène. On illustrera maintenant l'invention plus en détail par des exemples d'application et par un dispositif de principe pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure 2 montre schématiquement une coupe pratiquée dans un convertisseur de 30 tonnes destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention. I1 stagit d'un convertisseur symétrique courant à chemisage en tôle 1 et maçonnerie en réfractaire 2 comportant un fond 3 remplaçable, dans lequel des buses 4 sont incorporées dans la maçonnerie en réfractaire. Les buses 4 sont de préférence assemblées à partir de tubes concentriques. Au moins deux tubes 5, 6 forment une buse 4. A cet effet, le tube intérieur 5 sert d'amenée d'oxygène tandis que pendant le processus d'affinage circule a'travers l'interstice annulaire formé entre les tubes 5 et 6, un milieu protecteur sans apport de combustible, tandis que pour une teneur en carbone de a masse en fusion suffisamment basse, on peut remplacer ce milieu protecteur, par exemple du propane, par un combustible tel que du fuel-oil. L'agencement des buses précitées représente la forme la plus simple d'une combinaison d'un brûleur et d'une buse pour affinage. Fréquemment, lesdites buses sont construites à l'aide de plus de deux tubes concentriques et présentent, en particulier dans le cas d'un apport de combustible continu, un interstice annulaire -parti- culier pour l'amenée du combustible. On a équipé un convertisseur de 30 tonnes selon la figure 2 au moyen de 6 buses 4. Comme déjàmentionné ci-dessus, de l'oxygène circulait à travers le tube intérieur 5 de la buse 4 tandis que pendant la période d'affinage, du propane circulait à travers l'interstice annulaire compris entre le tube intérieur 5 et le tube extérieur 6, comme milieu protecteur pour les dites buses d'affinage. La quantité de propane s'élevait à 3% en volume par rapport à la quantité d'oxygène. -L'alimentation des buses en propane aeu lieu d'une manière connue avec une soupape de réglage non représentée, de telle sorte que chaque buse présente une entrée séparée et se trouve en mesure de délivrer la même quantité de propane à chaque buse. Pour la période de chauffage à établir après l'affinage, on a fermé l'alimentation en propane à l'entrée de ladite soupape de réglage pour raccorder cette entrée à l'alimentation en fuel. A titre d'exemple, on-a utilisé un fuel léger de valeur calorifique de 10 000 kcal/kg et à proportion de C/H de 12:2. On a choisi la pression préalable du fuel de façon que pour une vitesse de passage du fuel désirée de 60 kg/minute, la soupape fonctionne dans l'intervalle de réglage favorable et assure une répartition uniforme du fuel dans les différentes buses.La pression préalable du fuel s'élevait à 12 atmosphères relatives en aval de la soupape vde réglage et à 5 atmosphères relatives en amont de la dite soupape. Vingt secondes avant la fin de la période de chauffage, on a arrêté l'amenée de fuel et on a de nouveau envoyé du propane sous 8 atmosphères relatives à la soupape de réglage. I1 s'est écoulé environ 20 secondes avant que le fuel ne parcourt les conduites pour pouvoir être alors consommé d'une façon quantitative. On a préchauffé le fuel introduit à environ 600C pour que les conduites tubulaires d'amenée du propane ne se refroidissent pas. Grâce à cette mesure, on a évité une éventuelle condensation du propane gazeux. Au moyen de la technique d'apport du combustible décrite ci-dessus, on a produit dans le convertisseur de 30 tonnes précité les deux charges décrites à titre d'exemple comme suit. Dans la première masse en fusion la proportion de ferrailles a été choisie de façon à être supérieure de'48 à celle qui est courante dans la pratique de la production de l'acier. Conformément aux prévisions la température finale de la charge se situait à une valeur trop basse et ne s'élevait qu'à 15500C pour une analyse indiquant C = 0,03% et P = 0,040%. On a éliminé les scories de la charge puis on a chauffé celle-ci conformément l'invention. Pendant ce traitement consécutif, qui a duré 3 minutes, on a ajouté à travers des buses de fond ménagées dans le convertisseur, 120 kg~de fuel-oil et 180 m3 de 02, mesurés aux conditions normales de température et de pression, ainsi que 300 kg de chaux.A la fin de ce traitement consécutif, la température de la charge était passée de 1550 à 16500C, ce qui correspondait à la température de coulée désirée. La teneur en fer des scories résiduaires ne s'est accrue que de 14% à 17%. Ainsi, le chauffage de la charge pouvait être attribué presqu'exclusivement à l'utilisation de la chaleur de combustion du fuel-oil introduit. Ce fait a également été confirmé par des échantillons gazeux prélevés du convertisseur pendant le traitement consécutif, qui ont montré que le rapport C02/CO + C02 dans le gaz résiduaire s'élevait en moyenne à environ 0,5%. On peut en déduire par le calcul, en tenant compte des pertes de gaz résiduaires, un rendement calorifique de plus de 50%, ce qui concorde de façon satisfaisante avec l'accroissement de température atteint. Dans le deuxième exemple d'application, on a atteint, dans le même convertisseur et dans les mêmes conditions de départ que ci-dessus, un accroissement de 12% de la charge de ferrailles. Comme dans l'exemple précédent, on a établi au préalable une proportion de ferrailles accrue de 4% et on a retourné la charge comme précédemment, à une température de 15500C pour éliminer les scories. En s'écartant toutefois du mode opératoire décrit ci-dessus, on a traité consécutivement ladite -charge pendant 6 minutes de façon que pendant ledit traitement consécutif, au total 360 kg de fuel-oil, 540 m3 d' 2 mesurés aux conditions normales de température et de pression, et 300 kg de chaux en poudre, soient soufflés à travers les buses de fond. Environ 1 minute après le début du traitement consécutif, on a chargé complémentairement dans le convertisseur 2,5 tonnes de ferrailles sous forme de copeaux détachés de blocs.Après le traitement consécutif pendant 6-minutes, les ferrailles introduites en supplément étaient complètement fondués et on 'a atteint une température finale de 16-500C. L'analyse des scories était comparable à celle de l'exemple précédent. Le chargement complémentaire de ferraille, tel que décrit ci-dessus n'est toutefois pas absolument nécessaire. On peut ajouter la quantité totale de ferraille, dès le début de l'affinage. Le chauffage conformément à l'invention n'a toutefois lieu que lorsque vers la fin du processus d'affinage la teneur en oxygène plus élevée, nécessaire pour le procécé a été atteinte dans la masse en fusion. Les exemples suivants qui concernent des développements ultérieurs de l'invention ainsi décrite, montrent la souplesse d'application du procédé. L'exemple suivant concerne l'application du procédé à la fusion continue de ferrailles. Dans un bain de fonte, pour lequel est prévu un apport de chaleur conforme à l'invention on charge largement en continu de la ferraille ou de la grenaille réduite. La ferraille ou la grenaille peut être préchauffée en partie par les gaz rés i- duaires. Le procédé peut être mis en oeuvre suivant deux variantes. A partir d'un certain dépôt de fer que l'on laisse subsister dans le convertisseur lors de la coulée d'une charge, on peut chaque fois introduire en fusion autant de ferraille que d'acier luimême fondu dans un récipient de fusion, par exemple un convertisseur, comme cela est nécessaire pour la coulée d'une charge fondue. Le procédé peut toutefois être également mis en oeuvre en continu, en laissant s'écouler dans un récipient intermédiaire de préférence chauffé, l'acier à partir du récipient de chauffage à mesure que la ferraille est ajoutée à la charge. Simultanément à l'oxygène, on introduit par soufflage dans les deux variantes du procédé, la chaux pulvérulente nécessaire pour la formation des scories. Le procédé convient en particulier à l'introduction dans la masse en fusion de grenaille réduite, car cette dernière entre très vite en fusion par suite de l'intense mouvement du bain dtl à l'introduction des gaz de combustion.De même, la fraction oxydée présente sous forme de gangue dans la grenaille, qui est composée essentiellement de silice, n'entraine aucune perturbation dans le procédé de l'invention car on peut établir la composition correcte des scories d'une manière simple par soufflage de chaux pulvérulente. L'exemple suivant concerne l'application du nouveau procécé de l'invention à la fabrication directe d'acier à partir de minerai. Dans ce cas, on ajoute en continu du minerai dans une masse en fusion chauffee conformément à l'invention. Ce minerai peut être préchauffé ou être également partiellement préréduit afin d'accroître encore davantage le rendement du procédé. A cet effet, on peut utiliser par exemple les gaz résiduaires dudit procédé. On introduit également dans le bain les agents formateurs de scories nécessaires pour les réactions métallurgiques, par 11 intermédiaire des buses et éventuellement par l'intermédiaire des brûleurs. Pour empêcher une suroxydation du bain, il peut être avantageux d'introduire séparément dans le bain ou dans les scories, des substances renfermant du carbone indépendamment du brûleur. I1 est toutefois nécessaire également dans cette application du procédé de l'invention que l'on ajuste la teneur en oxygène dans le bain & environ 0,05% même pour l'application à la réduction de minerais. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'apport d'énergie thermique aux masses d'acier en fusion, dans lequel on brûle un combustible, notamment du carbone et/ou des hydrocarbures, conjointement avec de l'oxygène, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'on souffle les gaz de combustion, constitués au moins partiellement de C02 et d'H2O à travers une masse d'acier en fusion à teneur en carbone au maximum égale à 0,10%. 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé par le fait que l'on introduit le combustible et l'oxygène dans la masse d'acier en fusion par l'intermédiaire d'une ou plusieurs buses qui sont disposées au-dessous de la surface du bain dans la maçonnerie en matériau réfractaire du récipient d'affinage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on introduit complémentairement dans la masse en fusion des gaz de combustion avec une grande force impulsive par l'intermédiaire d'un brûleur situé au-dessus de la surface du bain de métal. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'en plus des gaz de combustion, on ajoute à la masse en fusion de façon localement séparée de ces derniers,des substances renfermant du carbone. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé par le fait que l'on utilise l'énergie thermique apportée à la masse en fusion pour la fusion et pour la réduction du minerai de fer par le carbone. 6. procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on apporte à une masse d'acier enfusion, par addition de combustible et d'oxygène, une quantité d'énergie thermique suffisante pour faire fondre en continu des éléments porteurs de fer, par exemple de la ferraille, de la grenaille, du minerai, séparément ou en mélange entre eux. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que dans la maçonnerie en réfractaire d'un récipient d'affinage sont incorporées au-dessous de la surface du bain, des buses qui sont réalisées par au moins deux tubes concentriques.