Brevet FR2476678A1 — publié le 19810828

PROCEDE ET DISPOSITIF D'AFFINAGE DE LA FONTE PAR SOUFFLAGE D'OXYGENE La présente invention a trait à l'élaboration de l'acier. Elle concerne plus précisément l'affinage pneumatique de la fonte par insufflation d'oxygène dans un récipient métallurgique équipé de moyens de soufflage gazeux simultanément "par le haut" et "par le bas". Dans le domaine de l'affinage pneumatique, on sait qu'il existe actuellement deux moyens industriels pour apporter à un bain de fonte contenu dans un récipient métallurgique (plus couramment appelé convertisseur) l'oxygène nécessaire a sa conversion en acier : le soufflage "parole haut" ou le soufflage "par le bas". Le soufflage d'oxygène "par le haut s'opère généralement à l'aide d'une lance verticale passant par l'extrémité supérieure ouverte du convertisseur et débouchant au voisinage de la surface du bain. La lance delivre un puissant jet gazeux dirigé vers le bain et y pénétrant plus ou moins profondément. Dans la technique de soufflage "par le bas", l'oxygène est insufflé au travers de la paroi du récipient à l'aide de tuyères d'injection, généralement implantées dans le fond et débouchant sous la surface du bain au droit du revêtement réfractaire. Chacune de ces deux techniques a ses avantages et ses inconvénients. Schématiquement, on peut dire que le soufflage par le haut, en permettant un réglage de la pénétration du jet d'oxygène par modification de la position en hauteur du nez de lance, procure plus de souplesse pour la conduite de l'affinage. De ce fait, la conversion par arrêt direct au carbone est généralement autorisée. Mais cette technique impose souvent des laitiers suroxydés (nuances à très bas carbone) en raison d'un brassage insuffisant en fin d'affinage. De plus, elle exige une superstructure pour le support et le déplacement d'une lance de grande longueur. En revanche, la technique de soufflage "par le fond" permet, en raison d'un brassage efficace du bain durant tout l'affinage, de se rapprocher plus facilement des états d'équilibres thermochimiques. Cependant, l'ordre des réactions n'est guère maitrisable. De ce fait, la déphosphoration du bain est médiocre en cours d'affinage, de sorte que, en particulier, l'arrêt direct au carbone est le plus souvent difficile à réaliser. Par ailleurs, les tuyères d'injection devant être thermiquement protégées, une circulation annulaire d'un fluide refroidissant est nécessaire, ce qui complique et rend donc plus vulnérable la technologie de l'ensemble. I1 est également connu, conformément à une technique plus récente (brevet français nO 2 322 202) d'étendre les possibilités métallurgiques des procédés à soufflage par le haut en leur conférant la caractéristique principale des procédés à soufflage par le fond : le brassage efficace du métal et du laitier en fin d'affinage. Cette technique consiste à équiper le fond d'un convertisseur à lance d'eléments perméables aux gaz tels que des briques réfractaires poreuses, ou des tuyères de faible section intérieure, qui permettent l'insufflation dans le bain métallique d'un gaz de brassage, de préférence inerte à l'égard du bain, par exemple de l'azote ou de l'argon. On peut dire schématiquement qu'au moins sur le plan métallurgique, cette technique de soufflage gazeux simultané par le haut et par le bas, hérite des avantages cumulés des deux procédés habituels sans pour autant en supporter les inconvénients. La présente invention a pour but une technique améliorée d'affinage pneumatique de la fonte par soufflage gazeux simultané par le haut et par le bas. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'affinage pneumatique de la fonte par insufflation d'oxygène dans un récipient métallurgique équipé de moyens de soufflage gazeux simultané par le haut et par le bas, selon lequel on effectue un brassage du bain métallique par soufflage d'un gaz inerte par le bas et caractérisé en ce que l'on apporte l'oxygène nécessaire à l'affinage, par le haut, à l'atmosphère régnant dans le récipient au-dessus de la surface du bain. L'invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre comprenant un récipient métallurgique équipé de moyens de soufflage gazeux simultanément par le haut et par le bas, caractérisé en ce que les moyens de soufflage par le bas sont constitués par au moins un éléments perméable au gaz, débouchant sous le niveau normal de remplissage du récipient et relié à une source d'alimentation en gaz inerte sous pression et en ce que les moyens de soufflage par le haut sont constitués par au moins un injecteur débouchant dans l'atmosphère du récipient et relié à une source d'alimentation en oxygène sous pression, ledit injecteur étant conçu de manière à délivrer un courant d'oxygène non-susceptible de pouvoir pénétrer dans le bain métallique. On voit donc que l'invention consiste dans sa caractéristique distinctive essentielle, à créer et à entretenir au-dessus du bain métallique une atmosphère oxydante permanente. Autrement dit, l'invention réalise l'aff i- nage de la charge du convertisseur en apportant l'oxygène nécessaire à la conversion, non pas directement au bain, sous la forme d'un jet gazeux pénOtrant dans le bain à l'aide, soit d'une lance immergée (soufflage par le naut), soit de tuyères débouchant sous la surface (soufflage par le bas), mais de façon que l'on peut qualifier d'indirecte, c'est-à-dire en l'introduisant simplement dans l'atmosphère du convertisseur au-dessus du bain métallique. Ainsi, on réalise l'affinage de la charge non seulement en bénéficiant au plan de la métallurgie, des mêmes avantages que ceux procurés par le soufflage simultané par le haut et par le bas de type connu, mais encore, au plan thermique, d > un accroissement du taux de combustion secondaire (combustion du CO en CO > ) et par conséquent, d'un apport calorifique supplémentaire dans le convertisseur lui-même, qui peut être mis à profit par exemple en augmentant l'enfournement des ferrailles. Il peut être surprenant a priori, de pouvoir obtenir un tel résultat en procédant simplement à un apport d'oxygène dans le volume libre du convertisseur, d'autant que, ce faisant, on va à L'rencontre des techniques habituelles de conversion pneumatique à l'oxygène, lesquelles, comme on l'a vu, mettent en oeuvre un jet d'oxygène pénétrant dans le bain à affiner. En fait, la réussite de l'opération est conditionnée par un brassage efficace du bain métallique au moyen d'un gaz chimiquement inerte à l'égard du bain, comme l'azote ou l'argon, introduit au travers du fond par exemple à l'aide de briques réfractaires perméables aux gaz ou par des tuyères métalliques à faible diamètre intérieur. Dans ces conditions, l'oxygène introduit dans ltenceinte du convertisseur en ressort par le bec essentiellement sous forme de gaz carbonique, ce qui démontre l'existence d'une décarburation du bain de fonte à affiner, associée à un fort taux de combustion secondaire. Sans vouloir préjujer des phénomènes réels intervenant dans le convertisseur, on peut qualitativement avancer une explication selon le mécanisme suivant. Initialement, l'oxygène introduit dans le volume libre au-dessus du bain réagit partiellement avec ce dernier, notamment en le décarburant. Puis un régime permanent s'établit selon le cycle ci-après : L'oxyde de carbone produit et qui sort du bain métallique est oxydé en gaz carbonique par l'oxygène apporte dans l'atmosphère au-dessus du bain. Le gaz carbonique ainsi produit s'échappe en partie par le bec du convertisseur. Le com plément est mis en contact avec le bain de fonte grâce au brassage procuré par l'insufflation de gaz inerte à travers le fond, et oxyde à son tour le carbone du bain en donnant à nouveau de l'oxyde de carbone. Celui-ci s'échappe du bain et le cycle recommence. Ainsi, l'invention consiste en quelque sorte à décomposer le convertis seur en deux réacteurs thermochimiques superposés interagissant par échan- ge de matière un réacteur fonctionnant en phase gazeuse et constitué par l'atmosphe- re oxydante au-dessus du bain.Ce réacteur, alimenté en oxygène de l'eté- rieur, est le siège d'une combustion de l'oxyde de carbone en provenance du bain selon la réaction d'oxydation classique CO + 1/2 02 + C 2 (AH = -67 Kcal/mole) un réacteur fonctionnant en phase liquide et constitué par le bain de fonte affiner Ce réacteur, alimenté après amorçage du cycle, par le gaz carbonique en provenance de l'atmosphère située au-dessus, est le siège d'une décarburation selon la réaction également classique C 2 + C 2CO (AH = +41 Kcal/mole). Le courant d'échange (CO tt GO2) entre les deux réacteurs s' effectue au niveau de leur interface commun, à savoir la surface du bain, le "moteur" de l'échange étant constitué par le brassage de la phase liquide par le baz inerte. La chaleur récupérée "in situ" par la réaction très exothermique de combustion de l'oxyde de carbone (AH = -67 Kcal/mole, alors que, comparati- vement, la réaction de décarburation classique du bain par l'oxygène ne fournit que 26 Kcal/mole environ) est alors disponible pour divers usages, tels qu'une réduction supplémentaire du minerai de fer ou, comme on l'a déjà dit, pour une augmentation de la quantité de ferrailles enfournees. La mise en oeuvre peut être réalisée par tout moyen, connu ou non, permettant un apport d'oxygène dans le volume libre du convertisseur. En particulier, l'introduction d'oxygène s' opère a l'aide d'au moins un injecteur débouchant au-dessus de la surface du bain et délivrant un courant gazeux réglé de façon à ne pas pouvoir pénétrer dans le bain. A cette fin, l'injecteur utilisé peut être une lance verticale d'insufflation passant par l'ouverture supérieure du convertisseur, comme cela se pratique dans le soufflage par le haut traditionnel, en prenant soin toutefois de maintenir une hauteur de lance suffisante par rapport à la surface du bain de manière que le jet d'oxygène délivré par le nez de lance s'affaiblisse suffisamment par la distance et ne puisse ainsi pénétrer dans le bain. On peut également prévoir un nez de lance à ajutages de sortie la té- raux, de façon à éviter une pénétration du jet dans le bain tout en maint- nant une hauteur de lance réduite, plus conforme à la pratique habituelle. D'une façon générale, le soufflage d'un gaz inerte par le fond remplace avantageusement le jet d'oxygène dans son rôle de brassage du bain et libère par conséquent la technologie de la lance qui peut alors se consa crer à améliorer le taux de combustion secondaire. Conformément à un mode de réalisation préféré, le meilleur que sachent faire les inventeurs à l'heure actuelle, les moyens d'apport d'oxygène dans l'atmosphère du convertisseur, sont constitués par au moins une tuyère de paroi, implantée au voisinage de la jonction bec du convertisseur - virole latérale, et débouchant nettement au-dessus de la surface du bain. Il doit être noté que l'utilisation dans un convertisseur de tuyères de paroi pour l'insufflation d'oxygène n'est pas nouvelle en soi. On connait en effet des perfectionnements aux procédés à soufflage d'oxygène par le fond visant à améliorer les bilans thermiques de l'opération d'affinage en augmentant le taux de combustion secondaire grace à es tuyères latérales apportant un supplément d'oxygène. L'invention, tout en conservant les mêmes avantages au plan thermique, s'écarte cependant des méthodes évoquées ci-avant en ce sens que, en particulier, la totalité de l'oxygène gazeux introduit dans le convertisseur est apportée par les tuyères latérales. Le soufflage d'oxygène par le fond n'est donc plus nécessaire, ce qui présente, entre autres, l'avantage de ne plus devoir utiliser des tuyères à technologie sophistiquée (plusieurs flux concentriques d'agent d'affinage) imposée pour leur protection thermique. A titre purement illustratif, on a représenté schématiquement sur la figure unique annexée un convertisseur équipé de moyens particuliers permettant la mise en oeuvre de l'invention. On a désigné en 1 un convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut surmonté d'une hotte 2 de captage des gaz par le bec 3. Comme on peut s'en rendre compte, il s'agit d'un convertisseur de type tout-à-fait classique mais dont la lance verticale a été remplacée par deux tuyères 4 et 5 cons tituées d'un simple tube métallique implanté dans la paroi latérale à peu près dans la région de jonction entre le bec et la virole principale 6. Par ailleurs, quelques briques du fond 7 ont été remplacées par des éléments réfractaires poreux 8 perméables au gaz. Chaque élément 8 est relié de façon étanche, par l'intermédiaire d'une plaque de base 9 et d'un conduit 10, à une nourrice 11 alimentée en gaz de brassage par une source d'azote sous pression symbolisée en 12. On voit également que les tuyères 4 et 5 sont reliées à une source d'oxygène sous pression, symbolisée en 13, par l'intermédiaire d'une nourrice circulaire 14 entourant le convertisseur et de laquelle sont issues les conduites d'alimentation individuelles 15. Comme il a déjà été dit, les tuyères latérales 4 et 5 débouchent dans l'atmosphère au-dessus de la surface du bain de fonte représenté en 16. L'inclinaison des tuyères dans la paroi détermine la direction du jet d'oxygène qu'elles délivrent. Cette direction, conformément à l'invention, peut être quelconque. Il est toutefois préférable de prendre en compte les considérations suivantes Si les jets d'oxygène rencontrent le revêtement réfractaire, celui-c risque d'atteindre une température trop élevée, préjudiciable à sa tenue. Si les jets d'oxygène rencontrent le bain métallique, on retrouve une situation analogue à celle du soufflage par le haut classique au moyen d'une lance : la quasi-totalité de l'oxygène sert à décarburer directement le bain, une faible partie reste donc disponible pour oxyder l'oxyde de carbone se dégageant dans l'atmosphère régnant au-dessus du bain et, par voie de conséquence, le taux de combustion secondaire diminue. Compte tenu des remarques précédentes, une solution avantageuse consiste, conformément à une mise en oeuvre préférée de l'invention, à diriger les jets d'oxygène issus des tuyères latérales 4 et 5 vers la région d'intersection de la surface du bain avec le revêtement réfractaire interne. De préférence encore, comme le montre la figure, cette région est choisie diamétralement opposée à l'orifice de la tuyère afin de bénéficier au mieux de l'effet d'affaiblissement de la puissance du jet avec la distance, auquel se rajoute dans ce cas, un effet important de freinage du au fait que les jets sont concourants. Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit. En particulier, le nombre de tuyères latérales n'est pas limitatif. De même, les briques réfractaires poreuses 8 du fond peuvent être remplacées par d'autres éléments connus ou non remplissant la même fonction de perméabilité à l'égard du gaz de brassage. Ainsi, il est possible de faire usage de tuyères métalliques de faible diamètre intérieur (de l'ordre de 5 mm) qui permettent de gros débits de gaz lorsqu'on le souhaite tout en s' accommodant, lorsque le brassage du bain n' est pas nécessaire (par exemple lors du remplissage ou lors de la vidange du convertisseur) d'un faible débit de protection pour éviter la pénétration du métal en fusion dans le tube de soufflage. Il doit être noté à cet égard que les tuyères à faible diamètre apparaissent peut être mieux adaptées à la mise en oeuvre de l'invention que les briques réfractaires poreuses. En effet, si ces dernières ont pour avantage essentiel d'empecher, du moins en principe, les infiltrations de métal en fusion même en l'absence de toute insufflation de gaz de brassage, elles présentent néanmoins l'inconvénient d'introduire de plus fortes pertes de charge dans l'écoulement du gaz lorsque les débits unitaires doivent être élevés, comme c'est le cas de la présente invention. Au contraire, les tuyères sont précisément connues pour avoir comme caractéristique dominante de nécessiter en permanence une contre-pression pneumatique suffisante pour équilibrer la pression ferrostatique du bain et qui se traduit inévitablement par un débit minimum de gaz. Autrement dit, les tuyères présentent la caractéristique de "ne pas pouvoir ne pas brasser" le bain métallique, ce qui, comme on le comprend, les prédispose à être utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé d'affinage pneumatique de la fonte dans un récipient métallurgique équipé de moyens de soufflage gazeux par le haut et par le bas, selon lequel on effectue un brassage du bain métallique à affiner par insufflation d'un gaz inerte par le bas et caractérisé encre que l'on apporte l'oxygène nécessaire à l'affinage, par le haut, dans l'atmosphère régnant dans le récipient au-dessus du bain. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel les moyens de soufflage par le haut permettant d'apporter l'oxygène dans l'atmosphère du récipient sont constitués par une lance verticale, de type classique, caractérisé en ce que l'on règle la distance entre l'extrémité de sortie de la lance et la surface du bain de manière que le jet d'oxygène ne pénètre pas dans le bain. 3) Procédé selon la revendication 1, dans lequel les moyens de soufflage par le haut sont constitués par au moins une tuyère de paroi débouchant au-dessus du bain, caractérisé en ce que l'on oriente la tuyère de manière à diriger le jet d'oxygène qu'elle délivre, vers la zone d'intersection entre la paroi interne du récipient et la surface du bain métallique, située diamétralement opposée par rapport au nez de la tuyère. 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un récipient métallurgique équipe de moyens de soufflage gazeux par le haut et par le bas, caractérisé en ce que les moyens de soufflage par le bas sont constitués par au moins un élément perméable au gaz débouchant sous le niveau normal de remplissage du récipient et relié à une source d'alimentation en gaz inerte sous pression et en ce que les moyens de soufflage par le haut sont constitués par au moins un injecteur débouchant dans l'atmosphère du récipient et relié à une source d'alimentation en oxygène sous pression, ledit injecteur étant conçu de manière à délivrer un courant d'oxygène non-susceptible de pouvoir pénétrer dans le bain métallique 5)-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injecteur est constitué par une tuyère implantée en paroi latérale et orientée vers la zone de jonction entre la surface du bain et la paroi intérieure du récipient. 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injecteur est constitué par une lance verticale dont le nez comporte des ajutages de sortie latéraux. 7) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments perméables au gaz reliés à une alimentation en gaz inerte, sont constitués par des briques réfractaires poreuses. 8) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments perméables au gaz reliés à une alimentation en gaz inerte sont constitués par des tuyères de faible diamètre intérieur ne dépassant généralement pas 5 mm environ.