Brevet FR2483960A1 — publié le 19811211

Procédé d'élaboration dtacier inox dable La présente invention concerne un procédé pour élaborer des aciers inoxydables et, en particulier, le procédé d'élaboration d'aciers au chrome à basse teneur en carbone à partir de matières premières qui contien- nent de l'oxyde de chrome. Il est connu actuellement d'utiliser de la chro- mite (minerai de chrome) dans l'élaboration d'aciers au chrome et divers procédés en plusieurs stades sont uti- lisés à cet effet. Par exemple, on connaît un procédé en trois stades selon lequel le minerai est soumis à une réduction dans un four à ferrochrome pour donner un alliage de chrome adéquat qui est ensuite coulé en gros- ses barres et introduit dans un four à arc o il est mélangé a de la mitraille pour donner une matière fondue de base. Cette matière est alors coulée dans un conver- tisseur de dégazage à l'argon et a l'oxygène o elle est affinée en un acier inoxydable à l'aide d'un mélan- ge d'oxygène gazeux et de gaz inerte (par exemple de l'argon). Ces procédés classiques exigent un équipement onéreux, sont fastidieux et consomment une quantité d'é- nergie considérable. L'invention représente également un progrès par rapport au procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4.072.504 qui décrit, d'une manière géné- rale, un procédé de réduction d'oxydés métalliques par préréduction au moyen des Caz réducteurs libérés pendant la réduction finale. On a maintenant constaté d'une manière étonnante que l'on peut éviter de nombreux inconvénients et de nombreuses difficultés des procédés connus. L'invention procure donc- un procédé pour fabriquer des aciers ino- xydables, caractérisé en ce que, dans un premier stade, on insuffle la matière première dans le fond d'un réac- teur rempli d'un agent réducteur solide et on lui fait franchir une zone de réduction engendrée à l'aide d'un générateur de plasma. L'agent réducteur solide peut être un produit de carbonisation, un produit de carbo- nisation avec du charbon, du coke conformé ou un autre agent connu ou combinaison d'agents connue. Les oxydes présents dans la matière première sont donc amenés en substance instantanément jusqu'à une réduction finale et une fusion. La masse fondue est ensuite coulée et est soumise, dans un deuxième stade, à un processus d'affinage. Le procédé en deux stades conforme a l'in- vention supprime de cette façon la nécessité de recou- rir au four à ferrochrome et au four à arc utilisés précédemment. -Pour mieux comprendre l'invention, on se référe- ra à la description suivante d'une forme d'exécution donnée à titre d'exemple avec référence au dessin annexé qui illustre schématiquement un mode d'exécution de l'invention. Suivant une forme d'exécution préférée de l'in- vention, on peut utiliser une matière première en fines particules, de préférence de la chromite et du minerai de fer. On insufle la matière première d'une manière appropriée dans le réacteur au moyen d'un gaz véhicu- laire et le gaz de réàction produit dans le réacteur peut, par exemple, être partiellement utilisé comme gaz véhiculaire. Suivant l'invention, des agents formateurs de laitiers et éventuellement du-combustible comme du carbone et/ou des hydrocarbures peuvent aussi être ajoutés a ce gaz véhiculaire. Le dessin annexé illustre un réacteur 1 ressem- blant à un four à cuve pour exécuter l'opération de ré- duction finale. Le réacteur est alimenté par sa par- tie supérieure en 2 au moyen d'un agent réducteur so- lide 3, dans ce cas-ci du carbone, par exemple du co- ke, par l'intermédiaire d'un équipement de chargement étanche au gaz. Une matière contenant des oxydes (par exemple du minerai de fer) et la chromite que contient le réservoir 20 sont insufflées, en même temps qu'un formateur de laitier contenu dans le réservoir 19, dans le fond du réacteur par des tuyères 5 par l'intermédiaire de la conduite 6. En même temps, un combustible est insufflé par la conduite 7, de préférence par l'intermé- diaire des tuyères 5. La réduction finale et la fusion se produisent instantanément et le métal en fusion 8 s'écoule vers le bas et subit simultanément une carbu- ration. A partir de cet endroit, le métal chaud pro- duit et le laitier peuvent être coulés de manière con- tinue ou de manière intermittente par les trous de cou- lée 9, 10. La température du réacteur est réglée et la cha- leur nécessaire à la réduction est fournie au moyen d'un dispositif de chauffage à arc de plasma 11. Comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amnérique n 4+.072.504, la matière contenant des oxy- des (par exemple le minerai de fer) peut être soumise à une préréduction par le gaz réducteur chaud 12 pro- venant du réacteur 1. La température de ce gaz réduc- teur chaud qui contient un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène en une concentration relativement élevée est réglée principalement par injection d'eau dans la partie supérieure de la cuie. Cette préréduction peut être effectuée en un ou plusieurs stades par des procé- dés connus, par exemple dans un lit fluidisé 14. Sous ce rapport, un degré adéquat de préréduction pour la matière contenant des oxydes va de 50 à 75%. Le gaz effluent dans la conduite 15 provenant du stade de préréduction contient une quantité relati- vement importante de gaz combustibles et peut, par con- séquent, être utilisé à diverses fins, notamment pour le préchauffage et le séchage de la matière contenant des oxydes entrante. La matière contenant des oxydes provenant du sta- de de préréduction et introduite dans le réacteur, dans ce cas-ci du minerai de fer, est de préférence une ma- tière finement divisée et peut avoir la forme d'un con- centré de minerai ou d'un mélange de concentrés. A titre de gaz vcniculaire pour l'injection de la matière, on peut avantageusc,ient utiliser une petite quantité du gaz réducteur provenant du réacteur par la conduite 16, qui a été épuré dans un épurateur ou un filtre 17 ap- proprié et qui a été transporté au moyen d'un compres- seur 18. Le réacteur et le lit de coke sont dimension- nés de telle-façon que le mélange injecté de chromite et de matière qui a subi une préréduction soit introduit dans la partie inférieure chaude du lit de coke 3 et, en outre, de telle sorte que le gaz réducteur eff]luent présent dans la conduite 12 soit constitué du mélange précite d'oxyde de carbone et d'hydrogène en une concentration élevée. Le rapport C0/H2 est réglé par l'addition de combustible dans la partie inférieure du réacteur. L'invention convient, en particulier, au traitement de poussières de gaz de carneaux, par exemple de la poussière chromifère et des poussières analogues. La teneur en chrome du fer brut provenant du premier stade du procédé conforme à l'inven- tion peut être facilement réglée à la valeur souhaitée dans le convertisseur de dégazage à l'argon et à l'oxy- gène par mélange des types de poussières utilisées. La teneur en chrome souhaitée est toujours inférieure à celle obtenue dans des fours à ferro- chrome, ce qui permet d'exécuter avantageusement le pre- mier stade du procédé conforme à l'invention à des températures comprises entre env.iron 1.500 et 1.650 C, de préférence entre 1.550 et 1.600 C, qui sont à comparer aux 1.650 à 1.700 C nécessaires pour le four à ferrochro- me, sans nuire au rendement en chrome. Ceci est dû à la concentration moins élevée du chrome dans la phase métallique du premier stade du procédé conforme à l'invention. Ces températures peuvent être comparées aux températures normales dans l'élaboration de fer brut, à savoir 1.350 à 1.450 C. En réglant la température, on peut facilement régler la teneur en silicium du fer brut chromifère et ainsi la capacité de fusion de mitraille du convertis- seur de dégazage à l'argon et a l'oxygène. Une augmen- tation de 0,1% de la teneur en silicium par exemple re- présente une augmentation de la capacité de fusion de mitraille d'environ 75 kg/tonne de fer brut chromifère. Un tel réglage de la teneur en silicium du fer brut chromifère permet de régler facilement la capacité de fusion de mitraille du convertisseur de dégazage à l'ar- gon et à l'oxygène pour l'acdpter à la quantité de mi- traille présente. Comme le premier stade de l'invention se déroule dans une ambiance entièrement close, le gaz riche en énergie peut être employé de manière utile (par exemple, comme combustible dans des foyers de chauffage, pour produire de l'électricité, etc.) et de plus d'une ma- nière beaucoup plus simple et beaucoup plus sDre que dans les fours à ferrochrome classiques. Ceci signifie qu'il est possible, sans inconvénient, de réduire des quantités plus importantes de fer par équivalent de chrome, de sorte que la quantité de gaz effluent par équivalent de chrome augmente et qu'il est possible de produire un fer brut chromifère convenant directement pour le convertisseur de dégazage à l'argon et à l'oxy- gène. Ceci signifie, à son tour, que l'équipement uti- lisé pour exécuter le prexier stade conforme à l'inven- tion, c'est-à-dire pour traiter la poussière chromifè- re, sera évidemment associé à l'installation de dégaza- ge à l'argon et à l'oxygène. La consommation d'énergie totale est ainsi ré- duite d'environ 600 kWh/tonne en raison de la suppres- sion du four à arc et d'encore 150 kWh/tonne parce que le premier stade du procédé de l'invention se déroule à une température qui est d'environ 1500C inférieure à celle des procédés classiques. Finalement, suivant l'invention l'énergie du gaz effluent peut être employée utilement. De plus, au moyen du procédé conforme i l'invention, on peut considérablement augmenter 1 pacité de production dans le convertisseur de dég à l'argon et à l'oxygène car le temps de chargeme dans le convertisseur et l'intervalle de coulée d. le dispositif utilisé pour exécuter le procédé coI forme à l'invention peuvent être facilement réglée. en fonction de l'autre. L'invention sera explique ci-après plus- détail avec référence à l'exemple suivant. EXEMPIE 1 (Utilisation de chromite) On produit un métal de base pour l'élabc tion d'acier inoxydable à l'aide du procédé de fus au plasma, c'est-à-dire le premier stade de réduct et de fusion conforme à l'invention, à partir d'un lange de chromite à rapport Cr/Fe peu élevé (1,8/1. minerai de fer (65% Fe). La composition du métal c est la suivante: 4,8% C 1,2o Si 0,53% Mn 19,6% Cr et pour le reste principalement du Les données suivantes sont applicables à l'élaboration de. tonne de métal de base: Un mélange de 530 kg de chromite à rapport Cr/Fe (38% de Cr, 22% de Fe) 970 kg de minerai de fer (65% Fe) est soumis à une réduction dans deux lits fluidisés raccordés en série jusqu'à un niveau de préréduction la fraction d'oxyde ferrique d'environ 70%. Le méla est ensuite injecté, en même temps que: kg de poussière de charbon dans la cuve de réduction et de fusion o il subit ui réduction et une fusion pour donner un métal de base de la composition indiquée ci-dessus. En plus des 185 kg de poussière de charbon, la réduction et la fusion consomment ' kg de coke 1750 kWh 3000 kg environ de laitier température de coulée 1 640 C. Immédiatement après la coulée, le métal de base est affiné au moyen de 100 kg de ferronickel et de 180 kg de mitraille d'acier inoxydable pour donner un acier inoxy- dable du type 18/8 ayant une teneur en carbone de 0,04%.Le rendement en acier fluide est de 1 180 kg. La consommation par tonne d'acier inoxydable est la suivante: 157 kg de houille 4,39.106kJ (kilojoules) (ou 1,05 Gcal) 51 kg de coke 1,46.106kJ (ou,0,35 Gcal) 1455 kWh 5,31.106 kJ (ou 1,27 Gcal) énergie totale 11,16. 106kJ 2,67 Gcal kg de nickel 153 de mitraille d'acier inoxydable. A titre de comparaison, on peut mentionner que le procédé le plus courant jusqu'à présent pour la pro- duction d'acier inoxydable implique les stades suivants: 1. traitement dans un four à ferro-chrome 2. traitement dans un four à éponge de fer 3. traitement dans un four à arc électrique 4. affinage dans un convertisseur de dégazage à l'argon-oxygène. Avec la même charge de mitraille que dans l'ex- emple précédent, la consommation d'énergie dans ce procédé connu est la suivante: ferro-chrome (67%) 236 kg 5,44.106kJ (ou 1,3 Gcal) éponge de fer 580 kg 7,54.106kJ (ou 1,8 Gcal) mitraille d'acier inoxydable 185 kg - nickel 85 kg - fusion dans four à arc 2,09.106kJ (ou 0,5 Gcal) énergie totale 15,07. 106kJ 3,6 Gcal BM/CP - 3/02/81 - D. 80 25 944 - Il ressort de la comparaison qui précède que le procédé en deux stades conforme à l'invention, outre qu'il est beaucoup plus simple, permet également de réa- liser une économie d'énergie de 25%. R E V E N DI A ICA I 0 N S 1.- Procédé pour élaborer de l'acier inoxyda- ble, caractérisé en ce qu'on injecte une matière pre- *miène contenant de l'oxyde de chrome et de l'oxyde de fer dans la partie inférieure d'un réacteur, ce réacteur contenant un agent réducteur solide, on fait passer la matière première dans une zone de réduction située dans la partie inférieure, cette zone de réduction étant en- tretenue à l'intervention d'un gn"é.,teltr de olasma ad- jacent, et ou amène ainsi en substance instantanément jusqu'à réduction et fusion la matière première contenue dans la zone de réduction puis on évacue le produit chro- mifère fondu et réduit du bas du réacteur. 2.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la matière première est une matière finement divisée. 3.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'on maintient la température du pro- duit fondu dans le réacteur à une valeur comprise entre environ 1.500 et environ 1.650 C. 4.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la matière première comprend éga- lement du carbone ou des hydrocarbures. 5.- Procédé suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce que la matière première comprend éga- lement un formateur de laitier. 6.- Procédé suivant les revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on insuffle la matière première dans le réacteur en même temps qu'un gaz véhi- culaire. 7.- Procédé suivant la revendication 6, ca- ractérisé en ce qu'on utilise une fraction du gaz de réaction produit dans le réacteur comme gaz véhiculai- re. 8.- Procédé suivant la revendication 6, ca- ractérisé en ce qu'on utilise une fraction du gaz de réaction produit dans le réacteur comme gaz de plas- mNa. 9.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'on règle pour partie la teneur en silicium du fer brut chromifère produit en agis- sant sur la température régnant dans le réacteur. 10.- Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'on soumet le produit chromifère à un affinage supplémentaire après son évacuation du réac- teur. 11.- Procédé suivant la revendication 10, ca- ractérisé en ce qu'on soumet le produit chromifère à un affinage supplémentaire dans un convertisseur de déga- zage à l'argon et à l'oxygène. 12.- PFrocédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on soumet la matière première à une préréduction. 13.- Prccédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la matière première est une poussière de gaz de carneaux contenant des matières chromifères.