Brevet FR2455086A1 — publié le 19801121

La présente invention concerne le domaine de la sidérurgie et a notamment pour objet un procédé d'ellabora- tion d'acier par affinage sur sole, par exemple au four Martin. L'invention est d'uneefficacité maximale quand elle est appliquée aux fours Martin transformant des charges métalliques solides constituées par des-déchets d'acier (riblons) et de fonte solide. Ce mode d'élaboration est connu en acièrie sous la dénomintation "procédé Martin aux riblons. L'invention peut aussi être appliquée aux fours Martin alimentés en fonte liquide. A ltheure actuelle on connaft un procédé aux riblons pour l'élaboration d'acier au four Martin, suivant lequel on charge successivement dans le four des scorifiants, des riblons et de la fonte, on fait fondre les matières enfournées et on règle le bain de métal aux paramètres prescrits de composition chimique et de température. Dans un tel procédé, le prix de revient de l'acier élaboré est principalement déterminé par le prix de la charge métallique, en particulier par le rapport entre les riblons et la fonte, celle-ci étant plus chère et dlappro- visionnement plus difficile. La consommation spécifique de fonte se situe d'ordinaire entre 350 et 450 kg par tonne d'acier. Dans ce procédé d'élaboration d'acier, au cours d'un grand nombre d'elaborations (305 d'après les données de la pratique), le métal, au moment de la fusion, a une teneur en carbone inférieure à la valeur minimale admissible, assurant au point de vue qualité de l'acier un déroulement normal de la période de mise du bain à la nuance. De telles élaborations sont d'ordinaire réalisées avec des additions supplémentaires de fonte et de ferroalliages pendant la période de mise à la nuance, ce qui se traduit par une hausse du prix de revient de l'acier élaboré. On connaît aussi un procédé d'élaboration d'acier partir d'une charge métallique solide, suivant lequel les constituants de la charge sont enfournés dans l'ordre décrit plus haut, et suivant lequel on charge en outre dans le four un produit carboné (coke, charbon, etc), afin d'abaisser la consommation de fonte. Dans ce procédé, d'après ltexpérience acquise au coursdk ypepadque , on introduit le produit carboné sous la couche de scorifiantp- car, s'il est introduit au-dessus de lacaxbe i scorifiants, l'assimilation du produit carboné par le métal diminue fortement.Toutefois outre l'économie de fonte, l'introduction du produit carboné dans le four a une influence défavorable sur la marche de l'élaboration, car elle provoque la formation de scories écumeuses, ce qui ralentit le chauffage du bain et abaisse la vitesse de désulfuration et de déphosphoration du métal. Afin d'éviter un abaissement notable de la production du four, la consommation de produit carboné dans le procédé connu ne dépasse pas 0,8% de la masse de la charge métallique. On connatt un procédé d'élaboration d'acier à partir d'une charge métallique solide, comprenant l'insufflation de produits carbonés en poudre dans le métal liquide, dans un jet de gaz, en vue de corriger la teneur du métal en carbone. L'insufflation des produits carbonés (graphite, coke, charbon, etc) à travers une lance s'effectue à la fin de la fusion ou bien pendant la période de mise du bain à la nuance, quand les riblons sont pratiquement fondus. La quantité de poudre à insuffler est déterminée uniquement par la quantito de carbone qui doit être assimilée par le métal pour corriger le déroulement de l'élaboration. L'application de ce procédé ne permet d'abaisser la consommation spécifique de fonte que de 20 kg par tonne, comparativement à la valeur indiquée plus haut. Pour obtenir un abaissement plus appréciable de la consommation de fonte, il faut réduire la quantité de fonte entrant dans la constitution de la charge métallique et insuffler des produits carbonés S une étape plus précoce de la fusion, af n de conserver la production du four à un niveau éleva. Toutefois, le procédé d'insufflation mis en oeuvre est inapplicable au milieu de la fusion, par suite de la basse assimilation du carbone de la poudre insufflée par le métal, oui atteint à peine 10 à 30%. Ceci stexplique par le fort sous-refroidissement du métal dans la zone au-dessous de la lance, qui provoque l'entrainement de la poudre à l'atmosphère du four par les bulles de gaz se dégageant du métal. Le soufflage du métal froid provoque aussi l'engorge- ment de l'orifice de sortie de la lance par le métal. A l'heure actuelle, on comlalt un procédé dtélabo- ration d'acier, permettant l'exécution de l'insufflation des produits carbonés aussi bien quand tout le métal est fondu, que quand il n'est que partielsement fondu, au milieu de la fusion, avec une haute assimilation du carbone par le métal liquide. Suivant ce procédé, l'injection de chaque portion de 50 à 200 kg de poudre à travers une once est alternée avec le souflage du métal par un gaz oxydant qui est exécuté pendant 3 à 10 minutes, avec une intensité de 500 à 1200 m3/h. L'application d'un tel procédé d'insufflation des produits en poudre rend possible une réduction plus appréciable de la quantité de fonte solide dans la charge. Toutefois, une particularité de ce procédé consiste en ce qu'il provoque des éjections de métal et de scorie hors du four lors des premiers cycles d'insufflation du produit carboné, par suite de la basse concentration du carbone dissous dans le métal (jusqu'à 0,2), ainsi qu'un haut degré d'oxydation du métal et de la scorie. Pour cette raison, la diminution de la quantité de fonte dans la charge ne va, selon les données pratiques, que jusqu'à 30% de sa consommation comparaivement au procédé Martin ordinaire aux riblons, sans emploi de produits carbonés en poudre. On s'est donc proposé de créer un procédé d'élaboration d'acier, dans lequel la modification du mode drenfo.^tt~e- ment des matières rendrait possible le soufflage du métal par un gaz oxydant et l'Insufflation d'un produit carboné en poudre pendant la période de fusion, la quantité de fonte entrant dans la composition de la charge étant réduite à une valeur pouvant même atteindre zéro. Ce problème est résolu du fait que le procédé d'élaboration d'acier à partir d'une charge métallique constituée principalement de riblons et de fonte, du type comprenant l'enfournement successif d'un scorifiant, de riblons et de fonte, suvi d'une fusion d alcharge enfournée et d'une mise à la nuance del'acier élaboré, le métal étant carburé au cours de la fusion par des produits en poudre insufflés à l'aide d'un jet de gaz dans le métal liquide, est caractérisé, d'après l'invention, en ce qu'après l'enfournement du scorifiant, on enfourne un produit carboné conjointement avec les riblons. Quand un produit carboné est enfourné conjointement avec les riblons, de pair avec le chauffage et la fusion des riblons se déroulent des processus diffus if de dissolution du produit carboné dans le bain de métal en cours de formation, et une carburation de la surface des riblons suivie d'un abaissement du point de fusion, ce qui accélère notablement le processus de formation de la phase liquide. En outre, quand l'enfournement est ainsi réalisé, indépendamment de la diminution de la quantité de fonte dans la charge, le métal liquide a, au milieu de la période de fusion, une teneur en carbone supérieure à 0,3% en présence de laquelle le degré d'oxydaticn du métal et de la scorie est peu élevé et l'insufflation du produit carboné de déroule d'un anière relativement calme, sans éjection de métal et de scorie hors de l'appareil d'aciérie. Il est souhaitable d'utiliser du coke en tant que produit carboné entrant dans la composition dejcharge, le coke étant le produit satisfaisant le mieux aux prescriptions métallurgiques, notamment en taux de souffre, ledit coke devant autre utilisé en morceaux, car les fractions pulvérulentes sont emportées par lesfumées. Le plus avantageux est d'introduire le produit carboné de préférence dans la partie supérieure de la couche de riblons, vu que pour assurer une haute production de l'appareil d'aciérie il faut tacher d'accélérer la formation d'un volume suffisant de métal liquide, pour l'intervention active dans le processus par traitement du métal liquide à l'aide de jets poudre-gaz, intensifiant l'ensemble des échanges de chaleur et de transferts de masse. Il est souhaitable que le produit carboné soit introduit à raison de 0,3 à 3,0% de la masse de la charge métallique, car unehuantité inférieure à 0,3% ne supprimerait pas les éjections métal lors des premiers soufflages et la limite supérieure (de 3,0%) assure pleinement la conduite active de la fusion avec soufflage du métal liquide par un gaz oxydant. Il est avantageux, au cours de la fusion de la charge métallique additionnée de produit carboné, de réaliser un soufflage du bain de métal au gaz oxydant (oxygène ou air comprimé), ce soufflage étant alterné avec l'insufflation du produit en poudre au cours de la fusion, ce qui permet d'accroître la production des appareils d'aciérie et de conduire le processus avec une réserve en taux de carbone dans le métal liquide. L'invention sera mieux comprise et d'autre buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre, de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Le procédé d'élaboration d'acier faisant l'objet de l'invention est mis en oeuvre dans un appareil d'aciérie qui, en l'occurence, est un four Martin. L'élaboration est divisée conventionnellement en périodes, qui sont les mêmes que dans le procédé Martin universellement connu, à savoir; rechargement du garnissage, enfournement de charge, fusion, mise à la nuance, désoxydation et coulée. Les périodes de l'élaboration visent le meme but. La charge enfournée se compose d'une partie métal (riblons, fonte solide), d'un scorifiant (castine ou chaux) et d'un produit carboné (coke, charbon, etc.). L'ordre d'enfournementdes constituants deya charge est le suivant - de meme que dans le procédé connu, on charge sur la sole du four, pour la protéger, jusqu'à 10% des riblons, se présentant sous forme de chutes de tôles propres, déchets d'une laminerie. - puis on enfourne tout le scorifiant (castine ou chaux) - après mise en température de la couche de scorifiant, on enfourne tous les riblons - en chargeant la fonte sur les riblons, on achène l'enfournement de la charge. On introduit le produit carboné après le scorifiant, conjointement avec les riblons, de préférence dans la partie supérieure de la couche de riblons. Il est à noter que la particularité essentielle de l'ordre d'enfournement des constituants de la charge, d'après le procédé d'élaboration de l'acier faisant l'objet de l'invention, consiste en ce que le produit carboné est enfourné conjointement avec les riblons audessus de la couche de scorifiant. Quant au chargement des riblons pour recouvrir la sole,-certaines différences dans l'ordre de chargement de la fonte, ainsi que le chargement d'une partie du produit carboné sous la couche de scorifiant en usage dans la pratique courante, ils n' affectent en rien la substance de l'invention. L'enfournement des matières selon le procédé d'élaboration d'acier à partir d'une charge métalliquie solide, faisant l'objet de l'invention, est réalisé de telle façon que la teneur du métal en carbone au moment de la fusion soit insuffisante pour la conduite normale de la période de mise à la nuance, c'est-à-dire que la carburation du métal par insufflation de produits carbonés en poudre dans un jet de gaz est obligatoire. Le procédé d'élaboration de l'acier est caractérisé par une faible quantité de fonte dans la charge, la fonte pouvant même êtrecomplètement exclue de la charge métallique si l'on dispose de riblons préparée. La diminution de la quantité de fonte dans lwoharge peut Autre compensée par une augmentation correspondante de la quantité de riblons, afin d'obtenir la quantité nominale d'acier conditionné à chaque coulée. L'enfournement est suivi par la période de fusion de la charge enfournée, au cours de laquelle se déroulent les processus de chauffage de la charge par la flamme de combustible, la fusion de la fonte et des riblons, la dissolution du produit carboné dans le bain de métal en cours de formation,l'oxydation des impuretés de la charge métallique, ainsi que le processus de scorification. Les processus indiqués d'échange de chaleur et de transfert de masse sont intensifiés grace au soufflage du bain de métal par le gaz oxydant, qui peut autre l'oxygène technique, l'air comprimé ou un oxygène à taux abaissé. De plus, le soufflage du bain par l'oxygène à un stade plus précoce assure une production plus élevée du four Martin. L'ordre de chargement des constituants de la charge doit assurer la formation rapide d'un bain de métal de volume suffisant pour le commencement du soufflage. Cette prescription est la mieux satisfaite par l'ordre d'enfournement de la charge selon l'invention, c'est-à-dire par le chargement du produit carboné conjointement avec les riblons, dans leur partie supérieure. En cas de changement du produit carboné sousla couche de scorifiant, il ne se dissout qu'après la fusion de la plus grande partie des riblons et la montée du scorifiant à la surface, ce qui ne se produit qu'à la fin de la fusion de la charge.Comme sa densité est relativement faible comparativement au métal liquide, il surnage et pénètre dans la couche de scorie, en provoquant son moussage et en altérant les conditions de scorification, de désulfuration et de déphosphoration, ainsi qu'en ralentissant le chauffage du bain par la flamme de combustible. De la sorte, le chargement du produit carboné sous la couche de scorifiant est indésirable, ce qui est aussi une caractéristique de l'Invention. La quantité de produit carboné dans la charge est de 0,3 à 3,0% selon la quantité de fonte et le recours au soufflage du métal liquide par un gaz oxydant. Le soufflage du métal liquide par un gaz oxyda-nt sXeffectue en l'alternant avec la carburation du métal par insufflation d'un produit carboné en poudre, ce qui assure une utilisation efficace du produit en poudre, le taux de carbone dans le métal liquide étant maintenu au-dessus de 0,3, et supprime l'engorgement des orifices de sortie des lances. Le soufflage du métal liquide par le gaz oxydant peut s'effectuer avant la désoxydation ciu la coulée du métal du four, ainsi que s'achever bien avant, ce qui n'affecte pas non plus la substance de l'invention. Dans ce qui suit, est donné un exemple concret mais non limitatif de réalisation de l'invention. Un four Martin d'une capacité de 100 t transforme une charge métallique solide, constituée par 100% de riblons, le métal liquide étant carburé par insufflation d'un produit carboné en poudre, en l'occurence, de graphite. La fonte est tout à fait supprimée dans la composition de la charge. En tant que scorifiant pour la charge on utilise de la castine à raison de 5% de la masse de la charge métallique, et en tant que produit carboné, du coke en morceaux d'une grosseur de 10 à 40mm. La quantité de coke est égale à 2% de la masse de la charge métallique. Quand on utilise une telle quantité de coke, la charge est préparée pour obtenir dans le métal, au moment où toute la charge est fondue, un taux de carbone inférieur à celui admissible pour la réalisation normale de la période de mise à la nuance, c'est-à-dire que le processus d'élaboration comprend une carburation obligatoire du métal liquide pendant la période de fusion par insufflation de produits carbonés en poudre. Les constituants de la charge sont introduit dans le four à l'aide de cuillers, au moyen d'une enfourneuse, après rechargement du garnissage du four, exécuté pour éliminer les dégradations provoquées au cours de l'élaboration précédente. L'ordre d'enfournement des constituants de la charge est le suivant - on charge sur la sole du four, pour la protéger, 10% de riblons, constitués par des chutes de toles propre - puis on enfourne le scorifiant (castine); - après mise en température de la castine, on charge 50% de riblons; - sur les riblons chargés par dessus la couche te castine, on verse d'une manière relativement règulière la moitié du coke (pour un four de 100 t, une quantité de 1 t soit 1% de la mas de la charge métallique), en basculant plus ou moins les cuillers engagées dans les portes de chargement du four; - puis on charge encore 20% de riblons; - on verse le reste du coke sur les riblons; - on achève l'enfournement en introduisant les 20% restants de riblons. La description de l'ordre d'enfournement des constituants de la charge fait apparaitre que le coke est chargé non pas sous une couche de castine comme c'est l'usage dans la pratique mondiale, mais au-dessus de la couche de castine, dans la partie supérieure de la couche de riblons. Un tel enfournement du coke accélère le processus de fusion de la partie supérieure des riblons, grace à la carburation du bain de métal en cours de formation, et à l'abaissement du point de fusion de la couche superficielle de riblons résultant de la diffusion du carbone; ceci rend possible un renforcement plus précoce du processus, par traitement du métal liquide à l'aide de jets de gaz chargés de poudre. Il est à noter qu'un volume de phase métalliq-ue liquide suffisant pour le soufflage se forme dès le milieu de la période de fusion de la charge (pour un four de 100 t, à peu près 1,5 h après l'achèvement de l'enfournement de la charge). Une quantité de coke égale à 2% de la r asse de la charge métallique assure, à ce moment de la fusion même si la quantité de fonte est nulle, un taux de carbone dans le métal liquide toujours supérieur à 0,3% et, comparativement aux procédés connus d'élaboration de l'acier, des concentrations peu élevées d'oxygène dissous dans le métal, ainsi que d'oxydes de fer dans la scorie. Il en résulte qu'au moment de l'insufflation du graphite, la réaction d'oxydation du carbone se déroule dans développement énergique et il ne se produit pas d'éjections de métal et de scorie hors four. La seconde moitié de la fusion et une partie de la période de mise à la nuance sont conduites avec soufflage du métal liquide au gaz oxydant, qui, en l'oc- currence, est l'oxygène, à travers deux lances de voute refroidies par eau, le débit à travers chaque lance étant de 1200 m5 /h. Le soufflage par oxygène a pour but de réduire la durée de l'élabontion. A l'issue d'intervalles de 5 à 10 minutes, on interrompt l'admission de l'oxygène et l'on insuffle à travers ces mimes lances du graphite, dans un jet d'air comprimé, à raison de 200 kg par lance à chaque injection de poudre. Les conceptions connues de lances de vote et les systèmes connus de transport pneumatique de produits en poudre permettent l'éxécution de cette opération sans remontée des lances au-dessus du bain. Tout le graphite nécessaire au processus est insufflé dans le métal en 6 injections (6 portions). La quantité totale de graphite injecté pour une coulée est de 2,4 tonnes. Une telle carburation cyclique du bain par insufflation de graphite permet, dans les conditions de soufflage du bain à l'oxygène, de maintenir le taux de carbonne dans le métal liquide entre 0,5 et 1,0% en présence duquel l'assimilation du carbonne du graphite insufflé par le métal est maximale, ainsi que de supprimer l'en- gorgement des orifices de sortie des lances par le métal. Le soufflage du métal liquide à l'oxygène s'achève 15 minutes avant la coulée du métal du four ou l'addition de ferroalliages pour la désoxydation préliminaire, afin d'abaisser l'oxydation du métal et de la scorie par "autodésoxydation" résultant du déroulement de la réaction de décarburation Il est à noter que dans le cas d'un tel processus d'élaboration, la période de mise à la nuance se déroule toujours avec une grande vitesse de décarburatiori- c'est-à-dire qu'il assure toutes les conditions nécessaires pour l'obtention d'un acier de haute qualité. L'exemple pratique particulier de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit, ne restreint pas le cadre de l'invention, qui peut être réalisée suivant diverses autres variantes, par exemple - la capacité de l'appareil d'aciérie peut être quelconque; - le constituant carboné de la charge peut être tout autre produit à basse teneur en soufre, par exemple une houille riche en carbone; - en tant que scorifiant, on peut employer une chaux méttallurgique à la place de la castine; - en tant que produit carboné en poudre on peut employer à la place du graphite, le coke qui est moins cher, un charbon pulvérisé, etc.; - entant que gaz oxydant pour le soufflage du métal liquide on peut employer de l'air comprimé ou un oxygène à taux abaissé; - selon la capacité de l'appareil on peut employer différents nombres de lances de soufflage; ; - l'insufflation de la poudre peut s'effectuer à travers une lance séparée - l'abaissement de la quantité de fonte dans la charge comparativement aux procédés connus d'élaboration de l'acier peut être quelconque, selon la quantié de riblons préparés dont dispose l'entreprise métallurgique; - l'intensité et la durée du soufflage au gaz oxydant et de l'insufflation du produit en poudre peuvent s'écarter des valeurs indiquées, selon la quantité de fonte, la température et les propriétés physico-chimiques de la scorie et du métal liquide. Le champ d'application de l'invention peut aussi être étendu aux fours Martin transformant une fonte liquide avec utilisation d'oxygène pour intensifier le processus. Comparativement aux procédés connus d'élaboration de l'acier à partir d'une charge métallique solide, le procédé faisant l'objet de l'invention présente des avantages notables, car il permet - d'abaisser jusqu'à une valeur pouvant même atteindre zéro la consommation de fonte solide pour ltélabora- tion de l'acier; - de supprimer les éjections de métal et de scorie du four lors de insufflation d'un produit carboné en poudre; - d'accroitre la production des fours Matin; - d'assurer à toutes les coulées l'obtention d'un acier de nuance prescrite, indépendamment du taux de carbone dans le métal au moment de la fusion complète de la charge. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, aussi que leurs combinaisons si celles ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration d'acier à partir d'une charge métallique constituée de préférence de riblons et de fonte du type comprenant l'enfournement successif d'un scorifiant, de riblons et de fonte, suivi de la fusion de la charge enfournée et de la mise à la nuance désirée de l'acier élaboré, le métal étant carburé au cours de la fusion par des produits en poudre insufflés à l'aide d'un jet de gaz dans le métal liquide, caractérisé en ce que, après l'enfournement du scorifiant, on enfourne un produit carboné conjointement avec les riblons. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit carboné utilisé est un coke en morceaux. 3. Procédé selon la revendication 1 et 2 caractéri sé en ce que le produit carboné est indroduit de préférence dans la partie supérieure de la couche de riblons. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le produit carboné est introduit à raison de0,3à3,0Yaela masse de la charge métallique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que au cours de la fusion de la charge métallique additionnée de produit carboné, on réalise un soufflage du bain de métal par un gaz oxidant et qu'ensuite au cours de la fusion on alterne ledit soufflage avec l'insufflation dudit produit en poudre 6. Acier caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé suivant l'une des revendication 1 à 5.