Brevet FR2518577A1 — publié le 19830624

L'invention concerne un dispositif pour produire de l'acier à partir de matières solides et/ou liquides telles que fonte, riblons lourds et riblons légers, comprenant un récipient d'affinage à garnissage réfractaire, dans lequel sont chargées les matières et dans lequel sont disposés un appareil de chauffage- affinage relevable et abaissable et, éventuellement, un dispositif pour amener des additions. Il est connu (brevet autrichien 232 531) d'apporter la chaleur qui manque aux matières chargées dans le récipient au moyen de brûleurs, afin d'atteindre la température d'affinage ou d'augmen- ter la proportion de riblons, avec utilisation d'un appareil de chauffageaffinage sous forme-d'un tube de soufflage contenant un tube de soufflage d'oxygène et un tube d'amenée de combustible Ce dernier sert à introduire de l'huile ou du gaz naturel, c'est-à- dire un combustible fossile, dans le récipient d'affinage. Bien que ce dispositif connu permette d'augmenter la mise en oeuvre de riblons, l'élévation de la proportion de riblons s'accompagne de la prolongation de la durée de traitement nécessaire de la charge puisque la flamme doit se frayer d'abord un passage à travers les riblons chargés par-dessus la fonte liquide contenue dans le récipient L'allumage de l'oxygène introduit ne se produit que lorsque la flamme a fondu suffisamment de riblons pour atteindre la surface du bain de fonte, ce qui prend un temps relativement long. L'invention vise a éviter cette-difficulté et à créer un dispositif du type décrit au début qui permette d'augmenter la proportion de riblons dans les matières chargées mais sans que cela entratne une augmentation notable du temps total jusqu'à la fin de l'opération d'affinage de chaque charge L'invention doit permettre en particulier de charger également des riblons légers contenant une forte quantité de matières étrangères, tels que des ferrailles d'automobiles, des bottes de conserves ou autres avec des revête- ments, et ainsi de suite Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'appareil de chauffage-affinage est constitué d'un brûleur à plasma, d'une enveloppe entourant le brûleur à plasma pour l'amenée d'oxygène et d'une chemise de refroidissement qui entoure cette enveloppe, une contre-électrode étant installée dans le fond du récipient d'affinage Il est avantageux que l'enveloppe soit formée par une couronne de tuyères en forme de fente ou rondes. Par la demande de brevet allemand DE-OS 29 12 843, on connaît un brûleur à plasma qui comporte une cathode annulaire d'o part un arc et o de l'oxygène est amené à cet arc de façon centrale par rapport à la-cathode annulaire Comme le gaz actif est introduit au centre de l'arc dans ce brûleur à plasma connu, la réaction chimique avec le gaz-plasma actif ne serait également possible qu'au centre du jet Si l'on voulait utiliser ce brûleur à plasma connu pour un processus d'affinage, la réaction chimique serait par conséquent limitée à un espace restreint et un large front de fusion ne pourrait pratiquement pas s'établir Le jet d'oxygène entouré à la façon d'une enveloppe par le plasma ne pourrait pas remplir sa fonction dans un procédé de soufflage d'oxygène puisqu'il entre seulement dans une mesure très limitée en contact de réaction avec la fonte ou les riblons fondus Il ne se produit aucune ou il se produit seulement une très faible réaction exothermique à la surface d'enveloppe entre le jet-plasma et les riblons. Il est avantageux, selon une autre caractéristique de l'invention, d'entourer l'appareil de chaffage-affinage d'une couronne de lances pour l'amende d'additions, telles que poussière Fe 203 (poussière LD ou poussière pour la conversion par soufflage par le haut). Selon une forme de réalisation préférée, le brûleur à plasma comporte une électrode centrale en forme de barreau et un espace annulaire entourant l'électrode pour l'amenée du gaz- plasma. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels là figure 1 est une coupe axiale verticale d'un réci- pient d'affinage selon l'invention; la figure 2 est une coupe axiale à plus grande échelle de la lance utilisée dans ce récipient d'affinage; et la figure 3 est une coupe transversale prise suivant la ligne III-III de la figure 2. La figure 1 représente un récipient d'affinage qui est formé dans cet exemple par un convertisseur basculant Sa cuirasse métallique est désignée par 2 et son garnissage réfractaire par 3. A la position relevée représentée du convertisseur, une lance de soufflage 5 qui renferme un brûleur à plasma 6 pénètre de haut en bas et de façon centrale à l'intérieur 4 du convertisseur Le brtileur 6 comporte une électrode centrale 7 en forme de barreau L'électrode est entourée d'un espace annulaire 8 qui est délimité par une enveloppe 9 et par lequel est amené le gaz-plasma, formé de Ar ou Ne, N, He, CO, CO 2 l 2 ou mélanges de ceux-ci. Il est préférable d'alimenter le brûleur avec des mélanges de Ar, Ar-N 2 Les longueurs d'arc qui s'établissent dans ce cas sont préfixées par la tension d'alimentation électrique du brûleur à plasma. Le brûleur 6 est entouré d'une seconde enveloppe 10, laquelle délimite un second espace annulaire 11 qui entoure le brûleur et qui sert à l'amenée d'oxygène techniquement pur (oxygène d'affinage) Au nez du brûleur à plasma 6, dans la tête 13 de préférence en cuivre d la lance de soufflage 5, l'espace annulaire 11 d'amenée d'oxygène se transforme en orifices 12, formant avan- tageusement des tuyères de Laval, qui se rétrécissent et sont disposés symétriquement dans le plan radial Les orifices de sortie d'oxygène 12 sont parallèles à l'axe 14 du brûleur ou renferment un petit angle aigu avec cet axe, de sorte que le jet d'oxygène sort de l'espace annulaire 11, soit sous une forme cylindrique, soit sous forme d'un cône qui s'évase légèrement vers l'extérieur Le but de cette confor- mation est de faire en sorte que l'oxygène se mélange seulement avec le jet-plasma 15 à une distance aussi grande que possible de la tête 13 de la lance de soufflage La durée de service de la cathode 7, en particulier celle de son nez 16 en tungstène, est ainsi consi- dérablement accrue Les isolateurs 17 qui maintiennent la cathode en place présentent des ouvertures 18 pour le libre passage du gaz- plasma. 18577 La lance de soufflage est entourée extérieurement d'une double chemise de refroidissement 19 dans laquelle on maintient de façon connue une circulation de fluide de refroidissement. Dans le fond 20 du convertisseur est installée, également au centre, une électrode de fond 21, comprenant une pièce d'usure 22 en acier et une amenée de courant en cuivre 23 qui est refroidie à l'eau. La lance-de soufflage centrale 5 est entourée de deux- ou davantage de lances 24 qui sont disposées symétriquement par rapport à la lance 5 dans le plan radial et servent à l'introduc- tion d'additions Il s'agit de lances-autoconsommables au moyen desquelles on peut introduire de la poussière LD, du minerai fin, de la chaux ou d'autres additions pulvérulentes. Le brûleur à plasma est de préférence réalisé comme un brûleur direct à arc de courant continu Son alimentation électrique se fait par des redresseurs 25-à thyristors La figure 1 montre cette alimentation électrique seulement de façon schématique dans une représentation monophasée. Dans le fond 20 du convertisseur 1 sont incorporées en plus des tuyères de fond * 26 pour l'introduction d'oxygène servant d'enveloppe et pour l'introduction de poussière de charbon au centre, de même que des briques poreuses 27 destinées à l'amenée d'argon, afin de permettre une mattrise poussée de la conduite du processus. Fonctionnement Après chargement du convertisseur 1 avec la fonte 28, les riblons lourds 29 et les riblons légers 30, on allume le brûleur à plasma 6 entre la cathode centrale de tungstène 7, 16 et les riblons 29, 30, lequels sont reliés électriquement, à travers la fonte 28, à l'électrode de fond 21 L'arc-plasma 20 fait fondre un c 8 ne central dans les riblons et crée ainsi des conditions favo- rables pour l'allumage du courant d'oxygène issu de-la lance de soufflage 5. Le profil de fusion 31 obtenu, c'est-à-dire la progres- sion de la fusion, est représenté sur la figure 1 par des lignes 18577 en pointillé Comme on peut le voir, il se forme d'abord immédia- tement après allumage du brûleur à plasma une cavité 32 en forme d'entonnoir dans les riblons 30 Cette cavité s'appronfondit et s'élargit radialement de plus en plus, par suite de l'abaissement échelonné ou continu de la lance de soufflage 5 La chaleur dégagée par le jet-plasma central est transmise aux riblons sans absorption notable par l'enveloppe d'oxygène lors de la traversée de cette enveloppe entourant le jet. La température du jet-plasma 15 est comprise entre 5 000 et 30 000 K suivant le gaz-plasma utilisé L'alimentation en oxygène à travers la lance de soufflage commence avec l'allumage du brûleur à plasma 6. L'injection parallèle ou divergente décrite plus haut de l'oxygène permet l'exploitation optimale de la zone o le transfert de chaleur du jetplasma à l'environnement est maximal L'oxygène entre en contact de réaction là o il est nécessaire en premier lieu dans les riblons 30 préchauffés par le brûleur à plasma 6. Après l'allumage du jet d'oxygène à la surface du bain de fonte, il existe deux centresde fusion pour les riblons, dont l'espa- cement mutuel diminue pendant la progression du processus de soufflage en ce sens que le centre de fusion de l'arc-plasma sur les riblons se déplace en direction de la zone d'impact 33 (de la zone de réaction entre l'oxygène et la fonte 28) de la région sur laquelle l'oxygène est soufflé d'en haut Le principal avantage du dispositif selon l'invention est que la transmission de la chaleur issue de l'énergie électrique appliquée, par rayonnement-du jet-plasma 15, est combinée de façon optimale avec le développement de chaleur par la réaction exothermique de la fonte et/ou des riblons avec l'oxygène pur avec le résultat, grâce à l'utilisation du brûleur à plasma 6, que les temps de fusion sont les plus courts possible. Par l'injection de poussière LD au moyen des lances auto- consommables 24, la poussière LD parvient dans la région de rayonne- ment de l'arc-plasma et plus précisément dans la zone o le dévelop- pement de CO gazeux est maximal, de sorte que les composants réducteurs sont également utilisés et que l'usure par l'oxygène est emptchée. 18577 Par l'intense rayonnement thermique du jet-plasma 15, agissant de façon dominante radialement vers l'extérieur, ces additions sont chauffées très rapidement Lors de ce processus de réduction, il se dégage également, sous forme de vapeurs, des impuretés métal- liques de la poussière ID, du zinc en particulier, lequel peut être précipité au-dessus du creuset, sur l'écran récupérateur de chaleur 34, ce qui permet une récupération de poussière LD polluée. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté sur les dessins annexés Différentes modifications sont possibles sans sortir de son cadre Par exemple, on peut prévoir plusieurs brûleurs à plasma supplémentaires disposés symétriquement, dans le plan radial, autour de la lance de soufflage 5 La fusion des riblons s'effectue dans ce cas dans un espace de plus grand volume mais le déroulement du processus est essentiellement le m me que celui qui vient d'être décrit. Il est possible en plus de suspendre la lance de soufflage par une articulation à son extrémité supérieure, d'une manière en soi connue, et d'animer la lance pendant le fonctionnement d'un mouvement (de précision) qui fait décrire à son extrémité inférieure un cercle dans le but d'agrandir la zone de réaction 33 ou d'engen- drer un mouvement dans le bain. Il est possible encore de prévoir une fente annulaire à la place de l'enveloppe formée par les tuyères 12 comme orifice de sortie pour l'oxygène. 18577 R E V E ND I CATI ON S 1 Dispositif pour produire de l'acier à partir de matières solides et/ou liquides telles que fonte ( 28), riblons lourds ( 29) et riblons légers ( 30), comprenant un récipient d'affinage ( 1) à garnissage réfractaire, dans lequel sont chargées les matières et dans lequel sont disposés un appareil de chauffage-affinage ( 5) relevable et abaissable et, éventuellement, un dispositif ( 24) pour amener des additions, caractérisé en ce que l'appareil de chauffage- affinage ( 5) est constitué d'un brûleur à plasma ( 6), d'une enveloppe ( 10) entourant le brûleur à plasma ( 6) pour l'amenée d'oxygène et d'une chemise de refroidissement ( 19) qui entoure cette enveloppe ( 10), une contre-électrode ( 21) étant installée dans le fond ( 20) du récipient d'affinage ( 1). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil de chauffage-affinage ( 5) est entouré d'une couronne de lances ( 24) pour l'amenée d'additions, tellesque poussière Fe 203 (poussière LD). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le br Oleur à plasma ( 6) comporte une électrode ( 7) centrale en forme de barreau et un espace annulaire ( 8 > qui entoure l'électrode pour l'amenée du gaz-plasma, 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 10) est formée par une couronne de tuyères ( 12) en forme de fente ou rondes.