Brevet FR2476135A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne un perfectionnement d'une tuyère de fond d'un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut et elle a plus particulièrement pour objet des tuyères de fond utilisées pour introduire un gaz de brassage dans le bain d'acier d'un convertisseur afin de promouvoir l'uniformité de composition de l'acier liquide pendant ou après le soufflage d'oxygène ainsi que des réactions dans le convertisseur. Dans le domaine de la conversion à l'oxygène pur par soufflage par le haut, on connatt depuis peu un procédé utili- sant un dispositif de soufflage agencé principalement dans le fond du convertisseur pour insuffler un gaz tel que l'oxygène, l'azote, un hydrocarbure gazeux, l'oxyde de carbone, l'argon ou un mélange de tels gaz afin d'intensifier le brassage du bain pendant le soufflage d'oxygène. Comme dispositif de soufflage, on a utilisé jusqu'à présent des bouchons poreux, des tuyères doubles formées de deux tubes coaxiaux et des organes analogues. Or les bouchons poreux sont faits d'un réfractaire de grande porosité, dont la résistance à la chaleur et la durabilité sont médiocres comparativement à un réfractaire de forte densité, de sorte qu'ils posent un problème de tenue sérieux lorsqu'on considère que la durée de service d'un convertisseur moderne atteint environ 2000 charges. Pour ce qui concerne les tuyères doubles, on fait passer un hydrocarbure gazeux de refroidissement par le passage annulaire entre le tube extérieur et le tube intérieur et un gaz réactif tel que l'oxygène ou un gaz neutre par le passage central du tube intérieur, de sorte qu'il y a un risque que de l'hydrogène produit à partir de l'hydrocarbure gazeux reste dans l'acier fondu.. Pour cette raison, on a proposé le procédé AOD, selon lequel on insuffle de l'argon par le passage annulaire. Le problème d'hydrogène mentionné ci-dessus est alors évité mais l'érosion par l'acier du réfractaire entourant le tube extérieur devient forte en raison du faible refroidissement, ce qui limite la durée de service de la tuyère. Comme le coût de l'argon est en outre élevé, l'application de ce procédé est restée limitée principalement à l'affinage d'acier inoxydable et il n'est pas utilisé du tout pour les aciers ordinaires. De plus, en cas d'insuf- flation de gaz neutre à la fois par le passage central et le passage annulaire de tuyères doubles, les tuyères risquent de se boucher en raison d'un refroidissement excessif par le gaz neutre et le bou- chage d'une tuyère augmente l'érosion du réfractaire qui l'entoure. Un autre inconvénient est que les sections de passage d'une tuyère double sont grandes, pour des raisons qui tiennent à la fabrication de la tuyère et à la résistance qu'elle doit avoir, de sorte que le débit de gaz neutre consommé par un convertisseur utilisé industriel- lement est élevé: 0,1-1 Nm /min/t (d'acier produit) pour le passage central et environ 0,1 Nm 3/min/t pour le passage annulaire d'une tuyère. Si l'on insuffle de l'oxygène par des tuyères simples, formées d'un seul tube, l'érosion de la tuyère et du réfractaire qui l'entoure devient considérable parce que, à la différence d'une tuyère double, l'emploi d'un courant de gaz particulier pour refroidir la région du nez de la tuyère est dans ce cas impossible. Ceci explique pourquoi on n'utilise pas de tuyères simples dans la pratique pour insuffler de l'oxygène par le fond. Par contre, on envisage l'emploi de tuyères simples pour insuffler un gaz de brassage dans le fond d'un convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut. Comme il faut dans ce cas refroidir la tuyère elle-même, il est nécessaire d'introduire le gaz de bras- sage avec un fort débit et sous une pression d'insufflation suffisam- ment élevée, ce qui implique l'augmentation du diamètre de la tuyère. Cependant, étant donné que l'introduction d'un gaz de bras- sage ne produit pas une violente réaction exothermique comme avec l'oxygène, la température de l'acier fondu près de la tuyère baisse et il se forme un important dépôt de métal qui finit par obstruer la tuyère. L'invention vise donc à apporter une tuyère de fond, convenant pour une utilisation dans un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut, qui possède une structure simple et qui ne risque pas d'&tre obstruée par suite d'un refroidissement excessif d'acier fondu. Selon une caractéristique essentielle de l'inven- tion, une telle tuyère possède un rapport de tout au plus 0,17 entre 24 76135 la section S (en centimètres carrés) du passage d'insufflation et la circonférence L (en centimètres) de l'aire de section du passage d'insufflation. Dans un mode de mise en oeuvre préféré de l'inven- tion, le rapport entre la section et la circonférence de l'aire de section du passage d'insufflation de la tuyère de fond ne dépasse pas 0, 125, ce qui non seulement évite complètement la formation d'un dépôt de métal et le bouchage de la tuyère par un tel dépôt mais permet en plus d'empêcher la fuite de métal liquide à travers la tuyère et de réduire considérablement l'érosion de la tuyère et de son environnement par l'acier. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - les figures 1 et 2 sont des coupes longitudinales schématiques d'exemples de réalisation d'une tuyère de fond selon l'invention, utilisée dans un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut; - la figure 3 est un graphique montrant la relation entre le rapport S/L de la tuyère et la quantité de métal solidifié déposé autour d'elle pour différentes tuyères utilisées dans un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut; - la figure 4 est un graphique montrant la relation entre le diamètre ou le côté intérieur de la tuyère et la profondeur de pénétration d'acier liquide dans la tuyère à l'arrêt de l'insuf- flation de gaz pour différentes tuyères; - la figure 5 est un graphique montrant la relation entre la vitesse d'insufflation de gaz et l'érosion de la tuyère; et - la figure 6 est un graphite montrant la relation entre l'emplacement de la tuyère et l'indice de comportement de contact entre la scorie et l'acier pour l'amélioration de l'effet d'affinage. Le gaz de brassage - un gaz neutre ou non - que l'on introduit par une tuyère de fond dans un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut est habituellement à la température ambiante ou à une température plus basse en raison de la chute de température due à l'expansion adiabatique. Pendant l'insufflation de ce gaz de brassage, il se-produit un échange de chaleur du fait de la différence de température entre le gaz et l'acier liquide, lequel est habituellement à 1600'C environ, ce qui entraîne localement un refroidissement et une solidification d'acier, formant un dép5t de métal autour de la tuyère. La figure 1 montre en coupe une tuyère disposée dans le fond d'un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut. Sur cette figure, 1 désigne le jet de gaz de brassage insufflé, 2 l'acier liquide, 3 le réfractaire sur le fond du convertisseur, 4 la tuyère de fond et 5 un dépôt de métal formé autour de la tuyère. La formation du dép6t de métal 5 sera ci-après examinée plus en détail relativement à la figure 2. Les grandeurs utilisées et les unités de mesure dans lesquelles elles sont expri- mées sont les suivantes S - section de passage d'insufflation de la tuyère (en cm2) L - circonférence de l'aire de section du passage d'insufflation de la tuyère (en cm) - densité de l'acier liquide (en g/cm 3) s 3 SÉdensité du gaz de brassage (en g/cm) Cs - chaleur spécifique de l'acier liquide (en cal/g) C - chaleur spécifique du gaz de brassage (en cal/g) v - vitesse linéaire d'insufflation du gaz de brassage (cm/s) A supposer que le dépôt de métal 5 possède une section rectangulaire et une épaisseur D (cm) dans le sens radial et que le dépôt croît d'une valeur A h (cm) par unité de temps (s) pendant l'insufflation du gaz de brassage, si l'on désigne la chaleur latente de solidification du métal par Hs (cal/g), on peut établir l'équation suivante: à hxDxLx sxHs = vxSxCxe xL T............... (1) oA àT est l'élévation de la température (0C) du gaz de brassage par unité de temps. 24 76135 L'équation (1) peut être transformée comme suit h = x Dx xH (2) s s d'o il ressort que la vitesse de croissance du dépôt de métal 5 est proportionnelle au rapport S/L. La relation entre la vitesse de croissance du dépCt de métal et le rapport S/L a également été examinée par un certain nombre d'essais comme celui décrit ci-après. On installe une tuyère ayant un passage de section circulaire ou carrée pour insuffler un gaz de brassage dans le fond d'un petit convertisseur, d'une capacité de 5 t. Après chargement du convertisseur avec une fonte liquide de haut fourneau, on souffle d'en haut de l'oxygène pur par une lance sur le bain, jusqu'à obtention d'une teneur en carbone entre 0,025 et 0,05 % dans la fonte liquide, et on introduit en même temps de l'azote pour le brassage par la tuyère, avec un débit variant entre 0,3 et 0,01 Nm 3/t/min. Dans cet essai, la tuyère est en acier inoxy- dable SUS 304, la hauteur au-dessus du bain de la lance d'insuffla- tion d'oxygène est de 1 à 1,5 m et le débit d'oxygène est de 1 à 4 Nm 3/t/min. A la fin du soufflage, on détermine la quantité de métal déposé autour de la tuyère. Les résultats sont représentés figure 3, o les valeurs numériques du rapport S/L sont indiquées en abscisses et la quantité de métal déposé autour de la tuyère est indiquée en ordonnées. Le symbole o sur le graphique de figure 3 se réfère à une tuyère de section circulaire et le symbole o à une tuyère de section carrée ou rectangulaire. Figure 3 montre que la formation d'un dép8t de métal est évitée complètement ou presque si le rapport S/L de la tuyère ne dépasse pas 0,17 quelle que soit la forme de la section de la tuyère. Avec une tuyère de fond selon l'invention dont le passage possède une aire de section de forme circulaire ayant un diamètre R, le rapport S/L correspond à: 7ft2)2 R 2W(b) 4 Donc, pour que S/L(R) soit plus petit ou égal à 0,17, le diamètre intérieur de la tuyère ne doit pas dépasser 0,68 cm (c'est-à-dire 6,8 mm). Si l'aire de section possède une forme carrée dont le c6té est désigné par a, le rapport S/L correspond à 4a 4. Donc, pour satisfaire S/L( 4) 0,17, le côté intérieur a de la tuyère ne doit pas dépasser 0,68 cm. Au cas o l'aire de section du passage d'insufflation de la tuyère est un rectangle, on peut satisfaire à la condition S/L mesure pas plus de 0,68 cm. Comme matériau pour la tuyère, on peut employer tout matériau réfractaire possédant une excellente tenue à l'oxyda- tion à température élevée et une résistance mécanique suffisante. Parmi les matériaux répondant à ces exigences, il est préférable de choisir des aciers réfractaires et des aciers inoxydables, en particulier l'acier inoxydable SUS 304 que l'on peut se procurer dans le commerce et qui se laisse excellemment travailler. L'épais- seur de paroi de la tuyère dépend de la résistance mécanique, de la tenue à l'érosion et de caractéristiques analogues du matériau de la tuyère mais sera généralement comprise entre 0,5 et 3 mm. 2'0 Dans l'exploitation pour la production en masse d'un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut et à tuyères dans le fond pour l'insufflation de gaz de brassage, il ne doit pas y avoir de risque-que de l'acier liquide sorte par une ou plu- sieurs tuyères et l'on s'efforce également à réduire l'érosion des tuyères par le métal afin de prolonger leur durée de service. L'invention vise aussi à éviter le risque de fuite de métal liquide et à limiter l'érosion des tuyères, ce qui vient donc s'ajouter à l'objectif d'empêcher les dépôts de métal et les obstructions des tuyères. Le comportement d'une tuyère selon l'invention en ce qui concerne les risques de fuite d'acier et sa tenue à l'érosion a été examiné plus en détail par les essais décrits dans ce qui va suivre. Dans la pratique, le fond d'un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut possède habituellement un garnis- sage réfractaire en brique d'une épaisseur de l'ordre de 800 mm, qui tient au moins 800 charges. On installe dans un tel fond de convertisseur des tuyères de section circulaire, de section carrée ou rectangulaire et de différents diamètres ou ayant des côtés de différentes longueurs. Pendant l'insufflation d'oxygène et de gaz de brassage, on maintient une différence de température ú\ T, soit de 50, soit de 100C entre le liquidus et la température de l'acier liquide près de la tuyère. Après l'arrêt du soufflage par le haut et par le fond, on mesure la profondeur de pénétration d'acier liquide dans la tuyère. Les résultats sont représentés dans le graphique de figure. 4, o le diamètre ou le côté intérieur de la tuyère, c'est-à-dire le diamètre respectivement le côté de l'aire de section de son passage d'insufflation, sont indiqués en abscisses et la profondeur de pénétration de l'acier est indiquée en ordonnées. LA encore, le symbole o se réfère à une tuyère de section circulaire et le symbole D se réfère à une tuyère de section carrée ou rectangulaire. On répète ces essais également avec différentes vitesses d'insufflation du gaz de brassage pour des tuyères de section circulaire, ce qui donne le graphique "érosion de tuyère par charge de convertisseur" de figure 5, o la vitesse d'insuffla- tion est indiquée en abscisses et l'érosion en ordonnées. Sur ce graphique, le symbole j se réfère à une tuyère d'un diamètre inté- rieur de 4 mm et les symboles o et 3 se réfèrent à des tuyères d'un diamètre intérieur de 5 respectivement de 6 mm. Compte tenu du fait que le nombre de charges d'acier liquide que supporte le garnissage d'un convertisseur comme indiqué ci-dessus dans la pratique est d'au moins 800 et que la vitesse d'insufflation habituelle du gaz de brassage est de l'ordre de 800 m/s, il est souhaitable que l'acier liquide ne pénètre pas de plus de 400 mm dans la tuyère à l'arrêt de l'insufflation et que l'érosion du nez de la tuyère ne dépasse pas 0,5 mm par charge. Il ressort des figures 4 et 5 que l'on obtient ces résultats si le diamètre intérieur d'une tuyère de section circulaire ne dépasse pas 5 mm et si au moins un côté intérieur d'une tuyère de section rectangulaire ne mesure pas plus de 4 mm. Donc, en cas d'utilisation d'une tuyère de section circulaire d'un diamètre intérieur de 5 mm par exemple, si l'insufflation du gaz de brassage dans le bain de métal liquide est arrêtée par suite d'un incident quelconque, alors que le soufflage d'oxygène par le haut continue, l'acier liquide pénètre sur une certaine partie de profondeur dans la tuyère avant de s'y solidifier etd'éviter ainsi toute fuite d'acier liquide. Avec un diamètre intérieur de 5 mm, le rapport S/L de la tuyère est de 0, 125. Autrement dit, il est préférable que le rapport S/L de la tuyère selon l'invention ne dépasse pas 0,125 si l'on veut éviter à la fois la formation d'un dép6t de métal, la fuite de métal liquide et une érosion trop forte. Dans le cas d'une tuyère de section rectangulaire, on obtient le même résultat qu'avec une tuyère circulaire d'un diamètre intérieur de 5 dm si au moins un côté intérieur ne mesure pas plus de 4 mm. Si le passage d'insufflation possède une dimension transversale trop petite, il risque de se boucher par des grains de réfractaire et de poser des difficultés d'entretien. Pour éviter cela, il est souhaitable que le diamètre de l'aire de sec- tion du passage de la tuyère ne soit pas inférieur à 2 mm ou que l'un au moins de ses côtés ne soit pas plus petit que 1 mm. Selon l'invention, une tuyère réalisée comme décrit dans ce qui précède est disposée à un emplacement préfixé dans le fond du convertisseur pour brasser l'acier liquide efficacement en vue de l'amélioration de l'effet d'affinage. L'emplacement de la tuyère est fixé comme suit. On observe le comportement de contact entre la scorie et l'acier liquide pendant le soufflage et en changeant l'emplacement de la tuyère (en changeant son éloignement rt de l'axe du convertisseur) dans un convertisseur expérimental à soufflage par le haut et par le fond (le diamètre intérieur du convertisseur est désigné par 2r0). Pour les essais dont les résultats sont représentés dans le graphique de figure 6, on a utilisé de la paraffine liquide d'une densité de 0,85 et contenant du 9-naphtol à la place de la scorie et de l'eau a été utilisée à la place de l'acier liquide. On considère que ce système eau-paraffine liquide présente le même comportement de contact que le système scorie-acier liquide. Lorsque de l'air est simultanément soufflé sur la surface liquide par une lance et insufflé dans le liquide par la tuyère de fond, la paraffine liquide est mélangée avec l'eau et du P-naphtol est extrait de la paraffine 24 76135 par dissolution dans l'eau. De plus, le point de contact entre la paraffine et l'eau est déporté à une distance rj de l'axe du conver- tisseur par le jet d'air issu de la lance. La quantité de 9-naphtol extrait par dissolution de la paraffine est une mesure de l'indice de comportement decontact entre la scorie et l'acier liquide. Dans le graphique de figure 6, différents emplacements de tuyère exprimés par la relation rt/r sont représentés en abscisses, tandis que la quantité (en c /min) de P-naphtol (3a) extrait par dissolution de la paraffine est représentée en ordonnées. La figure 6 montre que l'emplacement de tuyère le plus efficace pour l'effet d'affinage correspond au point B. c'est- à-dire à un point dont la distance de l'axe du convertisseur est égale à environ 0,4 fois le rayon intérieur du convertisseur. La disposition sur l'axe (point A) et un éloignement plus grand (point C) sont moins favorables. Le point J de la figure 6 corres- pond à la distance rj (point de contact). Au point B, l'éloignement de la tuyère de fond par rapport à l'axe est égal à environ 1,4 fois la distance r. ou le rayon de l'aire de surface dégagée par le jet, o la paraffine (scorie) est chassée par le jet d'air (jet d'oxy- gène). Le brassage de l'acier liquide est donc le plus efficace quand la tuyère d'insufflation du gaz de brassage dans le fond du convertisseur a un emplacement qui correspond au point B. Les essais avec le système eauparaffine liquide ont par ailleurs confirmé que l'emplacement optimal pour le brassage, correspondant à la disposi- tion de la tuyère à une distance rt = environ 1,4 rj de l'axe, ne change pratiquement pas quand on déplace la lance dans une plage équivalente à sa plage de mouvement dans l'exploitation effective d'un convertisseur. Dans une telle exploitation, la lance est graduelle- ment abaissée au cours de l'affinage de l'acier. On désigne par H1 la hauteur de la lance au-dessus du bain o le jet d'oxygène de la lance commence à provoquer des projections de métal, o il produit une aire dégagée avec le rayon rJi à la surface du bain, et on désigne par H2 la hauteur de lance plus grande o le jet, produisant alors une aire dégagée d'un rayon rj2 plus petit que rjl, ne pro- voque pratiquement pas de projections. Il ressort des essais ci- dessus utilisant le système eau-paraffine que l'éloignement rt de la tuyère de fond selon l'invention par rapport à l'axe du conver- tisseur correspond de préférence à la relation 1,4 rj2 rt4 Plus précisément, le phénomène de projections se manifestant surtout au début du soufflage d'oxygène, l'emplacement de tuyère le plus favo- rable pour la réduction des projections et l'amélioration de l'effet d'affinage est donné par la relation r t j Dans un convertisseur à soufflage par le haut d'une capacité de 200 t en exploitation industrielle, o le rayon rj de l'aire dégagée à la surface du bain par le jet d'oxygène est d'envi- ron 570-730 mm, on a installé quatre tuyères pour l'insufflation du gaz de brassage dans le fond à un éloignement rt d'environ 1 m et d'environ 1, 5 m. La disposition des tuyères à environ 1 m de l'axe tend à réduire le reste de FeO dans la scorie après la fin du souf- flage, ce qui améliore donc le rendement et la diminution des pro- jections, comparativement à la disposition des tuyères à 1,5 m de l'axe du convertisseur. Ce résultat montre que l'effet d'affinage obtenu dans l'exploitation pratique est meilleur lorsque l'éloignement rt satisfait à la relation 1,4 r / rt rable qu'il soit égal ou à peu près égal à 1,4 rl. Selon l'invention, le nombre de tuyères de fond à utilisesest compris entre 3 et 10 et est de préférence de 4 à 6. Avec une ou deux tuyères, il n'y a pas d'effet de brassage et avec plus de dix tuyères, l'effet d'affinage est moindre par suite d'un brassage excessif. Avec des tuyères selon l'invention, faites d'un seul tube; on obtient un brassage plus efficace de l'acier que par le seul soufflage d'oxygène par le haut et le risque de bou- chage des tuyères par suite d'un refroidissement excessif est moindre. De plus, le débit de gaz de brassage peut être réduit net- tement en comparaison avec l'emploi de tuyères doubles convention- nelles. Comme la tuyère et le matériau réfractaire qui l'entoure sont néanmoins refroidis suffisamment, la durée de service de la tuyère peut âtre prolongée en raison de la plus faible érosion. R E V E N D I C A T I ONS 1. Tuyère de fond pour insuffler un gaz de brassage dans un convertisseur à l'oxygène à soufflage par le haut, caractérisée en ce qu'elle possède un rapport de tout au plus 0,17 entre la section S (en cm2) du passage d'insufflation et la circonférence L (en cm) de l'aire de section du passage d'insufflation. 2. Tuyère de fond selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport S/L ne dépasse pas 0,125. 3. Tuyère de fond selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle possède une section circulaire avec un diamètre inté- rieur de tout au plus 5 mm. 4. Tuyère de fond selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle possède une section carrée ou rectangulaire avec au moins un côté intérieur de tout au plus 4 mm. 5. Tuyère de fond selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est en acier réfractaire ou en acier inoxydable.