Brevet FR2476679A1 — publié le 19810828

La présente invention se rapporte à un procédé pour refroidir les tuyères d'affinage de la fonte-et concerne plus particulièrement un procédé pour refroidir les tuyères à l'aide d'un fluide protecteur circulant dans l'espace annulaire de tuyères concentriques. On a déjà utilisé antérieurement comme fluides protecteurs de tuyères à doubles conduits pour l'affinage de la fonte des gaz hydrocarbonés pour les convertisseurs à insufflation d'oxygène par le fond du type connu sous le nom de convertisseurs OBM/Q-BOP, par exemple le propane, le butane, le gaz naturel et des gaz analogues, ou le kérosène pour les convertisseurs à insufflation par le fond connus habituellement sous le nom de convertisseurs LWS. Ces fluides protecteurs connus antérieurement s'écoulent autour du gaz oxydant, plus spécialement de l'oxygène pur formant un écoule- ment intérieur axial dans les tuyères du type décrit ci-dessus en forme de fourreau, accroissant ainsi dans une mesure considérable la durée de service des tuyères. Toutefois, les fluides protecteurs mentionnés cidessus contiennent des atomes d'hydrogène: une partie de cet hydrogène est absorbée par la fonte et affecte la qualité du produit. Dans les convertisseurs à insufflation par le fond servant à l'affinage des aciers inoxydables et connus habituel- lement sous le nom de convertisseurs AOD, on utilise des fluides protecteurs ne contenant pas d'hydrogène, par exemple des gaz inertes tels que l'argon ou l'azote, mais ces gaz ne subissent pas de décomposition à haute température,de sorte qu'ils ne manifestent pas l'effet d'évacuation de la chaleur permettant de refroidir de manière satisfaisante l'extrémité supérieure de l'ouverture de tuyère du côté du bain de métal fondu: la durée de service de la tuyère ne dépasse pas alors 350 opérations, ce qui est inférieur aux durées de service dans les convertisseurs OBM/Q-BOP mentionnés ci-dessus, qui sont de 1000 opérations. En dehors des fluides protecteurs décrits ci-dessus, l'utilisation d'anhydride carbonique gazeux ou liquide en tant que fluide protecteur ne contenant pas d'hydrogène est également bien connue. Ainsi, par exemple, on décrit l'utilisation d'anhydride carbonique gazeux dans le brevet japonais no 447 093. L'utilisation d'anhydride carbonique liquide est décrite dans Rev. Metallurgie (1978), pages 13 à 19. Toutefois, l'effet réfrigérant de l'anhydride carbonique, comme celui de l'argon ou de l'azote, est faible, comme on le verra ci-après, parce que, contrairement au cas des hydro- carbures et du kérosène, il ne se produit pas de réaction de décom- position. Ainsi, par exemple, pour le propane utilisé antérieurement en tant qu'hydrocarbure, l'expérience a montré que les tuyères pou- vaient être protégées de manière satisfaisante en introduisant environ 4 % en volume de propane par rapport à l'oxygène gazeux circulant dans l'axe de tuyère. L'effet d'évacuation de la chaleur par le propane repose sur deux mécanismes. L'un de ces mécanismes est la variation de chaleur sensible lorsque le propane gazeux passe de la température ambiante à 1600'C, température de la fonte, et l'autre mécanisme est la consommation de chaleur due à la réac- tion endothermique de décomposition à haute température du propane C3H8 en C et H2. La somme des deux quantités de chaleur consommées, calculée par la constante thermodynamique bien connue, est d'environ 78 kcal/mole. Dans le cas de l'anhydride carbonique gazeux, il n'y a pas de réaction de décomposition même à 1600'C, et la tuyère est refroidie uniquement par variation de la chaleur sensible lorsque l'anhydride carbonique est chauffé de la température ambiante à 1600'C. La quantité de chaleur évacuée par l'anhydride carbonique gazeux dans ces conditions, calculée, est de 18,4 kcal/mole. Le même calcul effectué avec l'anhydride carbonique liquide donne un résul- tat de 21,7 kcal/mole, par la constante thermodynamique bien connue cette valeur n'est pas très différente de celle indiquée pour l'anhydride carbonique gazeux. Par suite, si l'on veut parvenir au même effet de refroidissement qu'avec 4 % en volume de propane par rapport à l'oxygène, il faut utiliser l'anhydride carbonique en quantité de 15 à 17 % en volume d'anhydride carbonique gazeux par rapport à l'oxygène. Or, si on devait utiliser une quantité aussi forte d'anhydride carbonique, même tenu compte du fait que le pro- blème de l'absorption d'hydrogène serait résolu, une telle salution est non seulement plus coûteuse que la solution connue du propane, mais affecte considérablement l'équilibre calorifique dans le convertisseur: il est difficile de parvenir à la même température finale d'insufflation à moins de diminuer le minerai de fer de kg/t d'acier fondu, comparativement à l'insufflation habituelle. Cela signifie qu'on ne peut pas utiliser comme source de fer un minerai de fer à bon marché et que, par conséquent, le rendement en fer est-diminué. Comme on l'a dit plus haut, l'idée d'utiliser l'anhydride carbonique comme fluide protecteur a déjà été mise en avant, mais elle ne peut pas concurrencer économiquement le pro- cédé classique utilisant le propane, de sorte que, dans la pratique industrielle, on n'utilise pas l'anhydride carbonique. La présente invention concerne précisément un procédé perfectionné pour refroidir les tuyères, procédé qui remêdie aux inconvénients rencontrés dans le procédé connu anté- rieurement pour refroidir les tuyères à l'aide d'un fluide protec- teur. D'autres buts et avantages de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description ci-après. Ces buts et avantages ont été atteints dans un procédé pour refroidir les tuyères lors de l'affinage de la fonte par insufflation d'un gaz d'affinage contenant de l'oxygène en plaçant les tuyères au-dessous ou audessus du ménisque du bain de fer dans un récipient d'affinage de la fonte, procédé dans lequel on utilise des tuyères concentriques et on insuffle un gaz d'affinage contenant de l'oxygène gazeux par le conduit intérieur de la tuyère concen- trique et on insuffle un fluide destiné à protéger les tuyères dans le conduit extérieur de la tuyère, de sorte que le fluide protec- teur entoure le gaz d'affinage, formant un manchon qui refroidit les extrémités supérieures des tuyères et empêche leur usure, ce procédé se caractérisant en ce que le fluide protecteur contient de l'anhydride carbonique gazeux ou liquide et des particules fines de carbone, dans des proportions correspondant à un rapport molaire carbone/anhydride carbonique de 0,5 à 1,0. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après en référence aux figures des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente,en section transversale, la surface de fond d'un convertisseur à insufflation d'oxygène par le fond; - la figure 2 représente, en plan, la face arrière du fond du convertisseur de la figure 1; et - la figure 3 représente le convertisseur de la figure 1 en section verticale prise le long de la ligne A-A' de la figure 1. Les récipients pouvant servir conformément à l'invention à l'affinage de la fonte sont des convertisseurs, des fours électriques, des fours à sole et des récipients d'affinage du type à poche de coulée; la fonte traitée peut consister en fonte de fer-carbone, principalement de la fonte de haut fourneau, de la fonte provenant de riblons- traites au four électrique et des matières analogues, ou encore de l'acier au carbone fortement allié, dont la principale matière première consiste en riblons- fortement alliés, qu'on raffine dans un four AOD. Les tuyères servant à l'affinage de la fonte conformément à l'invention peuvent consister en tuyères concentriques de type déjà connu (en abrégé ci-après "tuyères concentriques") dans lesquelles un gaz oxydant contenant de l'oxygène gazeux circule dans le conduit intérieur et un fluide protecteur consistant en un mélange d'anhydride carbonique et de- carbone passe dans un conduit extérieur, c'est-à-dire une portion annulaire. Le rapport 'q carbone-anhydride carbonique dans le fluide protecteur en question est défini par la formule moles de carbone "1=,.(1) moles d'anhydride carbonique La demanderesse a procédé à des essais dans les- quels elle a fait varier ce rapport 7 et elle a trouvé que l'on parvenait à la plus forte capacité d'évacuation de la chaleur lorsque i satisfaisait à la relation 0,5(' Lorsque le fluide protecteur consistant en un mélange d'anhydride carbonique et de carbone est injecté, du conduit extérieur, c'est-à-dire de la portion annulaire de la tuyère concentrique, dans la région inférieure du bain de métal fondu conformément à l'invention, il se produit autour de l'extré- mité supérieure de la tuyère, laquelle est exposée à la température la plus forte et à l'usure, la réaction représentée par l'équation (2) ciaprès: Co2 + C -q 2CO (2) Cette réaction est endothermique de sorte que la capacité d'avacuation de la chaleur est nettement augmentée compa- rativement à la technique antérieure qui consistait à injecter de l'anhydride carbonique seul en-tant que fluide protecteur dans le métal fondu. Par suite, comme on le verra ci-après, on peut par- venir à une durée de service de la tuyère égale à celle atteinte par la technique antérieure au propane avec 5 % en volume d'anhydride carbonique consommé par rapport à l'oxygène, c'est-à-dire environ le tiers de la quantité consommée dans le cas d'utilisation d'anhydride carbonique pur; en outre, cette solution est économiquement beaucoup plus intéressante que la solution antérieure consistant à utiliser le propane, le problème posé par l'absorption d'hydrogène qui affecte la qualité du produit étant totalement résolu. On décrira maintenant des essais réels effectués conformément à l'invention. Sur le fond d'un convertisseur dont les parois sont doublées de briques de magnésie-dolomie et le fond est constitué de briques de magnésie- carbone, on dispose quatre tuyères concentriques en une rangée parallèle à l'axe du tourillon. Les conduits inté- rieurs au travers desquels circule l'oxygène gazeux sont des conduits de cuivre, chacun à un diamètre intérieur de 8 mm et un diamètre extérieur de 12,7 mm, et les conduits extérieurs au travers desquels circule le fluide protecteur sont des conduits de cuivre, chacun au diamètre intérieur de 13,7 mm et au diamètre extérieur de 19,05 mm. Par suite, la partie annulaire subsistant entre le conduit intérieur et le conduit extérieur forme un espace de 0,5 mm. En référence maintenant à la figure 1 des dessins annexés, la disposition des quatre tuyères au fond du convertisseur est représentée en 4, 5, 6 et 7; le convertisseur a une enveloppe en acier 1 et un doublage réfractaire 2 sur les parois. Dans les tuyères 4 et 5 circule le liquide protecteur selon l'invention consistant en un mélange d'anhydride carbonique et de carbone en poudre; dans les tuyères 6 et 7 circule le propane gazeux, fluide protecteur de la technique antérieure. On a représenté sur la figure 2 des dessins annexés, en plan, la face arrière du fond du convertisseur de la figure 1. En référence à cette figure 2, le conduit 8 amène un gaz oxydant qui sert à l'affinage, le conduit 9 est un distributeur qui permet de répartir uniformément le gaz d'affinage oxydant dans les quatre tuyères décrites ci-dessus et le conduit 10 est le conduit amenant le fluide protecteur selon l'invention qui passe ensuite, successi- vement dans le conduit 12 et les conduits ramifiés 13, puis dans les portions annulaires des tuyères 4 et 5. Le conduit 11 sert à amener du propane gazeux qui passe ensuite dans le conduit 14 puis dans les conduits ramifiés 15 et s'écoule ensuite dans les parties annulaires des tuyères 6 et 7. Sur la figure 3, on a représenté une section trans- versale du convertisseur prise le long de la ligne A-A' de la figure 1. Dans les conduits 10, 1l et 8, on peut faire passer de l'argon ou de l'azote gazeux, c'est-à-dire un fluide autre que ceux décrits ci-dessus. Le four est incliné du côté chargement pour le chargement de 5 t de fonte de haut fourneau. La composition et la température de la fonte avant chargement dans le convertisseur sont respective- ment de 4,5 % de C, 0,4 % de Si, 0,4 % de Mn, 0,12 % de P, 0,04 % de S et 1260'C etau cours du chargement de la fonte, on fait passer de l'azote dans les quatre tuyères décrites ci-dessus en vue d'empêcher un bouchage des conduits par la fonte. Les quantités d'azote gazeux introduites sont de 1,25 m3N/min dans le conduit intérieur et 0,24 m N/min dans la partie annulaire pour chacune des tuyères. Lorsque le chargement est terminé> on ramène immédiatement le four en position verticale et on commence l'insufflation. Les débits d'alimentation par tuyère sont les suivants. Dans les tuyères 4 et 5, on envoie 1,25 m 3N/min d'oxygène gazeux par le conduit intérieur et, en tant que fluide protecteur selon l'invention, un mélange de 0,063 m 3N/min d'anhydride carbonique gazeux et 0,034 m N/min de carboné en poudre dans la région annulaire. Dans les tuyères 6 et 7, on envoie par le conduit intérieur 1,25 m N/min d'oxygène gazeux et,dans la partie annu- laire, 0,05 m3 N/min de propane gazeux. En même temps qu'on insuffle le gaz d'affinage par le fond, on installe une lance de pro- jection d'eau de refroidissement pour convertisseur LD de type connu antérieurement et on insuffle de l'oxygène gazeux à la surface du bain, au débit de 5 m N/min pour compléter la quantité de gaz insufflée par le fond. Au moment o on démarre l'insuffla- tion, on place sur la surface du bain 150 kg de chaux éteinte. Après insufflation pendant 20 min, on passe à nouveau à l'azote et on insuffle 1,25 m N d'azote par minute dans le conduit inté- rieur et 0,23 m 3N par minute d'azote dans la partie annulaire pour chacune des tuyères, on arrête l'envoi d'oxygène par la lance à eau de refroidissement soufflant sur le dessus et on retire cette lance de l'ouverture du convertisseur. On incline alors immédiate- ment le convertisseur du côté chargement, on mesure la température de la fonte et on prélève des échantillons.; la température est de 16460C, les teneurs en C, Mn, P et S sont de 0,03 %, 0,23 %, 0,017 % et 0,018 %, respectivement. On incline ensuite le convertis- seur vers un orifice de décharge de la fonte et on coule la fonte dans une poche; on incline à nouveau le convertisseur du côté chargement et on évacue les scories fondues dans une poche à scories. Ainsi, après vidange du convertisseur, on retire les vis de fixation représentées dans les figures 2 et 3 et on mesure les longueurs des tuyères et, par conséquent, l'usure des tuyères due à l'insufflation décrite ci-dessus; on obtient les résultats suivants Tuyère n0 Usure 4 1,7 (mm/ch) 1,3 6 2,3 7 2,3 L'usure indiquée est une valeur moyenne des résul- tats obtenus par mesure en six points dans la direction circonfé- rentielle. Bien que la quantité d'anhydride carbonique gazeux utilisée conformément à l'invention soit faible 5 Do on peut constater un effet protecteur égal ou supérieur a celui obtenu avec le gaz propane. Par conséquent, on peut considérer que l'éva- cuation de chaleur provoquée par la réaction (2) ci-dessus agit suffisamment sur le pourtour de la tuyère et qu'il y a une amélio- ration notable par rapport à l'utilisation de l'anhydride carbo- nique seul en tant que fluide protecteur. Par ailleurs, le fluide protecteur ne contient pas d'hydrogène contrairement au propane, de sorte que l'on peut parvenir à la même concentration en hydro- gène que dans l'acier de convertisseur LD à l'extrémité d'insuf- flation, les effets atteints conformément à l'invention étant clairement apparents. Les essais effectués par la demanderesse ont montré que le rapport entre l'anhydride carbonique gazeux et le carbone dans le mélange selonl'invention pouvait varier dans un intervalle modéré sans nuire au refroidissement efficace de la tuyère avec une quantité relativement faible d'anhydride carbo- nique gazeux: lorsque la valeur de 7 est inférieure à 0,5, on ne parvient plus à un effet de refroidissement satisfaisant à moins d'utiliser le gaz carbonique en quantité supérieure à 10 %/ en volume par rapport à la quantité d'oxygène. D'autre part, si l'on travaille à une valeur de -)t supérieure à 1, on n'accroît plus l'effet de refroidissement. On a répété les expériences décrites ci-dessus en utilisant le fluide protecteur selon l'invention au débit et à la composition indiqués cidessus dans la partie annulaire de chaque tuyère. Après dix opérations successives d'insufflation, on a mesuré l'usure des tuyères et on a trouvé un résultat de 1,1 mm par opération. Dans les dix opérations, on a prélevé des échantillons du bain de métal fondu contenu dans le con- vertisseur à l'orifice d'insufflation; on a trouvé une teneur en hydrogène de 1,7 ppm + 0,4 ppm. A titre de comparaison avec les expériences décrites ci-dessus, on a réalisé cinq insufflations successives dans les mêmes conditions, mais en envoyant du propane gazeux dans les quatre tuyères 4, 5, 6 et 7, dans la partie annulaire de chaque tuyère, au même débit que dans les essais précédents. Après insufflation dans cinq opérations, on a mesuré l'usure des tuyères et on a trouvé 1,5 mm par opération. La teneur en hydrogène de l'acier fondu prélevé dans le convertisseur à l'orifice d'insufflation est de 4,9 ppm + 0,7 ppm. Ces résultats montrent clairement que l'inven- tion donne des résultats supérieurs à ceux obtenus avec le procédé de la technique antérieure. Le procédé selon l'invention permet Également de refroidir efficacement les tuyères lorsqu'on procède-à l'insuffla- tion en plaçant les tuyères au-dessus du ménisque du bain de métalb aussi bien que lorsqu'on plonge les tuyères dans le bain de métal. Le procédé selon l'invention constitue donc un excellent procédé de refroidissement des tuyères conduisant à une très faible usure de l'extrémité de ces dernières. Il est clair que l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'exemples et que l'homme de l'art peut y apporter des modifications sans pour autant sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I O N Procédé pour refroidir les tuyères lors de l'affi- nage de la fonte par insufflation d'un gaz de raffinage contenant de l'oxygène en plaçant les tuyères au-dessous ou au-dessus du ménisque du bain de fonte dans un récipient d'affinage de la fonte dans lequel on utilise des tuyères concentriques et on insuffle un gaz d'affinage contenant de l'oxygène gazeux par un conduit intérieur de la tuyère concentrique et un fluide servant à protéger les - tuyères par le conduit extérieur de la tuyère, le fluide protecteur entourant le gaz d'affinage en forme de manchon et servant à re- froidir les extrémités des tuyères et à empêcher leur usure, ce procédé se caractérisant en ce que l'on utilise en tant que fluide protecteur un mélange d'anhydride carbonique gazeux et/ou liquide et de fines particules de carbone, à un rapport molaire carbone/anhy- dride carbonique de 0,5 à 1,O.