Brevet FR2532327A1 — publié le 19840302

La présente invention concerne un procédé pour, au cours de l'affinage de l'acier dans un convertisseur; fournir au bain de la chaleur au moyen de combustibles contenant du carbone. Pendant la fabrication de l'acier au convertisseur, on utilise l'énergie libérée par l'oxydation des corps non ferreux dans la fonte brute pour faire fondre de la ferraille. La quantité- de ferraille dépend pour l'essentiel de la composition de la fonte brute et de la technique d'affinage utilisée, par exemple de ce que l'oxygène est soufflé sur le bain avec une lance ou à travers le bain par des tuyères aménagées dans le fond du convertisseur. Comme la ferrai île est généralement moins coûteuse que la fonte brute fabriquée en haut fourneau, on cherche à utiliser le plus de ferraille possible pour fabriquer l'acier. Pour que la quantité de ferraille dépasse un taux de ferraille froide donné, il faut fournir de la. chaleur pendant la fabrication de l'acier dans le convertisseur On peut préchauffer la ferraille. On peut aussi amener un moyen de chauffage approprié dans le bain. On connaît une série de procédés pour accroître le niveau énergétique du bain en y introduisant des matières carbonées. Dans un bain de fer, seule est utilisée la chaleur produite par la transformation en monoxyde de carbone de la partie carbone des combustibles carbonés qui sont amenés au bain La partie hydrogène des combustibles, par exemple du charbon, quitte le bain sous forme d'hydrogène sans réagir avec de l'oxygène. Compte tenu de ces conditions dléquilibre thermodynamique dans le bain, le rendement calorifique des combustibles est relativement bas seil est ramené à la combustion totale en CO2 et H20 Selon les variétés de charbon, il est compris entre 7 et 12% et peut grimper à 17% en utilisant du carbone pur.Par exemple, pour faire fondre 1 tonne de ferraille en plus du taux de ferraille froide, il faut environ 500 kg de charbon ayant un pouvoir calorifique de 7000 kcal/kg! ce-qui correspond à un rendement de 10%. En utilisant du coke, il suffit de 300 kg pour 1 tonne de ferraille, et il en résulte un rendement calorifique de 17%. Cette utilisation très partielle de l'énergie disponible dans les combustibles relativement à l'énergie de combustion complète ne motive guère sur le plan économique à introduire de la ferraille lorsque l'on fabrique l'acier avec les procédés connus. Compte tenu des rendements évoques plus haut, le coût des combustibles carbonés à introduire dans le bain est du même ordre de grandeur que celui de l'énergie électrique nécessaire pour faire fondre la ferraille dans un four à arc electrique et n'est même pas clairement avantageux par rapport au coût de fabrication de la fonte brute dans les hauts fourneaux. En outre, les procédés connus, en plus d'avoir.mauvais rendement, ralentissent la fabrication de l'acier et entraient une diminution de la capacité de production de l'usine. Le but de la présente invention est ainsi de proposer un procédé qui permette, pendant la fabrication de l'acier au convertisseur, de fournir de la chaleur au bain de façon à faire fondre de la ferraille excédant le taux de ferraille froide dans des conditions plus avantageuses et en particulier plus économiques qu'avec les procédés connus. Suivant l'invention, le procédé s'inscrivant dans le cadre de la fabrication de l'acier dans un convertisseur et visant à fournir au bain de la chaleur au moyen de combustibles contenant du carbone, est caractérisé en ce que lion amène des combustibles contenant du carbone au bain d'acier, et en ce que on introduit l'oxygène dans le convertisseur à la fois sous la surface du bain ainsi que sous la forme de jets de gaz dirigés sur la surface du bain et qui pendant une partie importante de llaffinage, agissent en jets libres à travers l'espace gazeux du convertis seur. Dans le procédé de l'invention, la quantité d'oxygène amenée au-dessus de la surface du bain est introduite dans le convertisseur de façon qu'il se forme un jet libre dans l'espace à gaz et que ce jet de gaz rencontre la surface du bains On réussit ainsi à transmettre au bain environ 90 de l'énergie produite par la combustion ainsi assurée dans l'espace à gaz. I1 faut pour l'effet de l'invention que les jets libres parcourent dans l'espace à gaz une cer taine distance sur laquelle ils aspirent des quantités importantes des fumées du convertisseur.On a alors un mélange intense d'oxygène at-de gaz -combus- tible et sur la surface du bain n'arrive plus alors qu'un gaz chaud qui est constitué de CQ et de CO2 et ne contient pratiquement plus d'oxygène-libre. Par conséquent, la formation de fumée brun-e, c'est-à-dire la combustion du fer, est évitée et le procédé de l'invention ne présente, comme le- procédé OBM/Q-BOP, qutuneeperte par evaporation du fer de 0,3% Avec l'introduction connue d'oxygène dans la partie supérieure du convertisseur par des tuyères placées horizontalement ou inclinées d'au plus 20 sur l'horizontale pour la post-combustion du CO, on ne peut pas, même avec-des quantités d'oxygène de 10 à 20 ó de la quantité totale, transmettre de chaleur appréciable au bain. La post-combustion des fumées du convertisseur entraine simplement un endommagement du réfractaire.En particulier, avec ce procédé, il se produit une usure prématurée du revêtement du chapeau du convertisseur et des parois en face des tuyères oxygène. Cette usure du revêtement est due à une forte élévation de température dans la zone supérieure du convertisseur, et une élévation de la proportion d'oxygène au-dessus de 20% ne peut produire qu'un endommagement supplémentaire du revêtement réfractaire. D'après les expériences faites jusqu'S présent, une transmission appréciable de chaleur au bain n'est pas possible avec cette technique connue d'apport d'oxygène. Le procédé de l'invention, au contraire, n'entrante pas une usure accrue du revêtement. Cet avantage est-certainement dû à ce qu'aucun jet de gaz à haute température ne rencontre le revêtement réfractaire du convertisseur; au contraire, une caractéristique essentielle de l'invention est que les jets libres, dans l'espace à gaz du convertisseur, sont dirigés vers la surface du bain. Les tuyères situées au-dessus du bain sont placées dans le convertisseur de façon qu'on ait un parcours suffisant du jet d'oxygène dans l'espace a gaz du convertisseur. Pour que l'invention soit pleinement utilisée, le parcourus du jet d'oxygène entre les orifices de sortie des systèmes d'amenée d'oxygène et'la surface immobile du bain doit correspondre environ à 50 à 200 fois le diamètre des orifices de sortie. Avec la géométrie usuelle du convertisseur,on a pour le montage des tuyères d'introduction d'oxygène dans la paroi latérale du convertisseur une inclinaison de plus de 35 , de préférence de plus de 450, par rapport à l'horizontale dans la direction de la surface du bain. Le jet de gaz rencontre la surface du bain à une température élevée qui est très supérieure à celle du bain et est approximativement de 25000C. Pour la réaction avec le bain et pour la transmission de chaleur, on dispose d'une très grande surface qui découle de la quantité d'oxygène amenée au-dessous de la surface du bain et du mouvement intense du bain qui en résulte. Dans la mesure où l'on a des connaissances sur le mouvement du bain dans le convertisseur, par exemple à partir d'études sur modèle, il faut s"attendre à avoir une zone de jaillissement et d'éruption à la surface du bain d'au moins un mètre de haut.La surface de réaction ainsi très agrandie qui, dans le procédé de l'invention, subsiste pendant une partie importante de l'affinage, est très probablement déterminante pour le haut -degré d'utilisation de l'oxygène et la bonne transmission de chaleur au bain. I1 s'est révélé avantageux de répartir la quantit totale d'oxygène à peu près à parts égales entre les tuyères situées au-dessous de la surface du bain et le système d'introduction d'oxygène situé dans l'espace supérieur du convertisseur. L'oxygène peut être soufflé sur' la surface du bain par exemple par une ou plusieurs tuyères de paroi latérale placées au-dessus du tourillon du convertisseur, à peu près 2 m au-dessus de la surface du bain quand le convertisseur est neuf, et inclinées de façon à être dirigées vers la surface du bain. Les tuyères de la paroi latérale, comme celles du fond du convertisseur, sont constituées de deux tubes concentriques. Pour protéger ces tuyères contre une usure prématurée par rapport au revêtement du convertisseur, on fait passer dans les interstices annulaires 0;S à 5% d'hydrocarbures par rapport au débit d'oxygène. L'oxygène soufflé sur le bain peut être amené par une lance. L'emploi d'une lance pour l'amenée d'oxygène au-dessus de la surface du bain se révèle particulièrement judicieuse quand une installation de conversion dispose d'équipements appropriés. La distance de la lance, c'est-%-dire la distance entre les orifices de sortie de l'oxygène de la lance et la surface du bain dans le convertisseur, est normalement choisie-grande, d'au moins plus de 2 mètres, par analogie avec les tuyères de paroi latérale. il faut en outre veiller à ce que les jets de gaz sortant de l'orifice de la lance, comme dans le cas des tuyères de paroi latérale, rencontrent la surface du bain et ne touchent pas la paroi latérale du convertisseur. Le mode de fonctionnement de la lance doit par conséquent être modifié par rapport au procédé connu de soufflage d'oxygène sur le bain. En particulier, il faut éviter la formation de laitier moussant dans le convertisseur, ce qui, selon l'invention, se fait par l'insufflation d'une partie importante de la chaux sous forme de poudre par les tuyères du fond. L'amenée des combustibles contenant du carbone peut se faire de différentes manières. Une possibilité avantageuse consiste à introduire ces combustibles sous forme de poudre au-dessous de la surface du bain par des tuyères appropriées, avec un gaz porteur. Par exemple, l'azote, CO, CH4 ou le gaz naturel, et les gaz inertes, par exemple l'argon, se sont avérés bons comme gaz porteurs. Cette amenée de combustibles se fait par une ou plusieurs tuyères. La solution la plus simple consiste à utiliser pour cela une ou plusieurs des tuyères de fond d'un convertisseur OBM. Dans ce cas, le tube intérieur des tuyères reçoit la suspension de combustibles broyés et de gaz porteurs. On peut aussi employer pour l'amenée de combustibles un certain nombre de tuyères constituées de plusieurs tubes concentriques, par exemple trois Dans le cas des tuyères à trois tubes concentriques; il est opportun de faire passer dans le tube central les combustibles, dans l'interstice annulaire situé près du tube central l'oxygène, et dans un deuxième espace annulaire extérieur les hydrocarbures usuels destinés à la protection des tuyères. Un réglage approprié du débit d'oxygene permet de modifier la formation de dépôts à l'orifice des tuyères pour leur donner une forme désirée.Dès que les'dépôts à l'orifice des tuyères deviennent trop grands, par exemple dépassent 150 mm de haut et qu'il y a ainsi le danger que lors du chargement de f?rrailles, les tuyères soient endom magées, on augmente l'amenée 'd'oxygène aux tuyères et on réduit ainsi la grosseur du dépôt à l'orifice. Si le dépôt sur les tuyères est trop petit on peut régler le débit d'oxygène de façon inverse. I1 entre aussi dans le cadre de l'invention de charger les combustibles dans le convertisseur de façon continue ou par portions. L'addition se fait par des dispositifs appropriés, par exemple des goulottes, par la bouche du convertisseur ou par des ouvertures pratiquées dans la paroi latérale supérieure. Par exemple, l'addition de poussiers de coke par le trou de coulée s'est avérée bonne. Les combustibles contenant du carbone peuvent aussi etre introduits dans le convertisseur avec les scorifiants, comme la chaux. Comme combustibles contenant du carbone, on utilise de préférence des charbons de diverses qualités, du graphite,-du coke de lignite, du coke et-en particulier du poussier de coke ainsi que des mélanges de ces matières. Les combustibles sont introduits de préférence secs, surtout quand on les introduit de manière avantageuse sous forme de poudre au-dessous de la surface du bain. L5émploi du procède de l'invention conduit approximativement à un doublement du rendement thermique des combustibles introduits-en comparaison des procédés connus jusqu'à présent dans lesquels des combustibles sont aussi apportés au bain et la totalité de l'oxygène est soit introduite dans le bain soit sous fiée sur le bain avec une lance. Avec le procédé de l'invention, l'emploi de combustibles contenant du carbone gagne beaucoup en importance et devient économiquement séduisant. Les combustibles contenant du carbone, surtout le pous- sier de coke bon marché, conviennent ainsi comme source d'énergie pour fondre des ferrailles. Les avantages économiques sont naturellement en relation avec le prix des ferrailles. Par exemple, avec le procédé de l'invention, il suffit de 150 kg de coke pour fondre une tonne de ferrailles en plus. Cela correspond à un rendement thermique d'environ 30%. Les procédés connus nécessitent par contre au moins environ 300 kg de coke pour une tonne de ferrailles supplémentaire, et il en résulte un rendement thermique d'environ- 15%. Une particularité essentielle de l'invention réside dans le rendement calorifique élevé avec lequel les combustibles carbonés introduits dans le convertisseur y sont brûlées, et dans l'avantage économique qui en résulte à faire fondre de la ferraille dans le convertisseur. Les coûts en combustibles et en oxygènepour leur combustion s'élèvent à moins de 50% de ceux entraînés par les procédés actuellement utilisés pour fondre la ferraille, par exemple le four électrique. Avec le procédé de l'invention, on peut augmenter à volonté la proportion de matières ferreuses solides, en particulier le. taux de ferrailles, jusqu'à la production d'acier sans fonte liquide, c'est-à-dire un bain à 100% de matières ferreuses -solides. I1 est cependant particulièrement avantageux, sans avoir à s accommoder d'un allongement important de la durée d'affinage, de travailler avec une proportion de matières ferreuses solides, par exemple un taux de ferrailles, d'au plus 50%. Une élévation du taux de ferrailles au-dessus de 50% entraîne un net allongement de la durée de séquence des charges. jusqu'au doublement environ pour les charges constituées de 100% de matières ferreuses solides ou de ferrailles. L'invention va maintenant être exposée à l'aide d'exemples- non limitatifs: Un convertisseur type OBM de 60 tonnes est chargé avec environ 18 tonnes de ferrailles de compositi-ons mixtes et environ 49 tonnes de fonte. La fonte contient en moyenne 3,5% de carbone, 0,7% de silicium, 1% de manganese et 1,7% de phosphore. Pendant cette période d'affinage de 12 mn, on apporte au convertisseur 3000 m3N d'oxygène à des débits de 15 000 à 20 000 m3N/h sur dix tuyères de fond. Il passe comme agent protecteur dans les interstices annulaires des tuyères du fond environ 60 m3N de propane à un débit de 300 à 350 m3N/hç Avec l'oxygène sont introduits dans le convertisseur environ- 4 -tonnes de chaux en poudre. Les additions de chaux se font de préférence tout au début de l'opération d'affinage pendant la période d'élimination du silicium et vers la fin de l'affinage ou lors du post-soufflage. On charge dans le convertisseur de 60 tonnes décrit, 34 tonnes de ferrailles et 33 tonnes de fonte de la composition indiquée. Au début de l'affinage, on apporte maintenant au convertisseur environ 10 000 m3N/h d'oxygène par les tuyères du fond et environ la même quantité par deux tuyères de la paroi latérale montées dans le chapeau. Parallèlement à cela, on introduit dans le bain par une tuyère du fond du coke pulvérisé avec un débit de soufflage de 180 kg/mn. Pendant une période d'affinage d'environ 18 mn, correspondant à une durée de séquence de charge de 40 mn, on apporte au total au convertisseur 6 000 m3N d'oxygène et 3 200 kg de coke.Le poids coulé est de 60 tonnes, et l'acier contient environ 0,032 de carbone, 0,18 de manganèse et 0,025% de phosphore. Cette composition correspond également à celle de l'acier dans le cas de la production par le procédé OBM. On a produit une autre charge exclusivement à partir de ferrailles, sans addition de fonte liquide. On charge d'abord 67 tonnes de ferrailles en deux temps. Ces ferrailles sont préchauffées avec 25 litres de fuel par tonne. Après une durée de préchauffage d'environ 10 mn, commence l'amenée de coke pulvérisé et, en même temps on augmente le débit d'oxygène du rapport stoechiométrique correspondant au taux de fuel au débit de soufflage d'oxygène d'affinage et on met en-marche les tuyères situées au-dessus de la surface du bain. Au bout d'un temps total de préchauffage et de soufflage de 50 mn, on coule la charge d'acier désirée. La consommation de combustibles est de 25 litres de fuel et 65 kg de coke par tonne de ferrailles. En l'état actuel, les dépenses relatives aux combustibles et à l'oxygène nécessaire à la combustion sont d'environ 35 DM par tonne de ferrailles. La combinazen du procédé de l'invention avec le préchauffage des ferrailles selon la demande de brevet allemande non encore publiée P 2 816 543.7, en particulier en cas d'emploi de taux de -ferrailles élevés jusqu'à des charges constituées uniquement dé ferrailles, entre dans le cadre de l'invention De préférence, dans le cas de cette combinaison de procédés, on introduit les combustibles contenant du carbone dans-le bain sous forme de poudre au-dessous de la surface du bain. I1 entre dans le cadre dé la présente invention d'employer, au lieu de ferrailles, d'autres agents de refroidissementr comme par exemple éponge de fer, boulettes, fonte solide minerai de fer et calcaire. Les caractéristiques de lGinven- tion, en particulier concernant la formation du jet libre, peuvent aussi être appliquées par. analogie dans d'autres procédés d'affinage de l'acier REVENDICATIONS 1.. Procédé s'inscrivant dans le cadre de lafabrication de l'acier dans-un convertisseur et visant à fournir au bain de la chaleur au moyen de combustibles contenant du carbone, caractérisé en ce que l'on amène des combustibles contenant du carbone au bain d'acier, et en ce que pour affiner l'acier et brûler les combustibles, on introduit l'oxygène dans le convertisseur à la fois sous la surface du bain ainsi que sous la forme de jets de gaz dirigés sur la surface du bain et qui, pendant une partie importante de l'affinage, agissent en jets libres à travers l'espace gazeux du convertisseur. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on souffle l'oxygène au moyen d'une lance. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amenée d'oxygène sur la surface du bain se fait par des tuyères encastrées dans le revêtement du convertisseur et protégées contre une usure prématurée par une enveloppe extérieure d'hydrocarbures. 4-. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la quantité d'hydrocarbures utilisée pour les tuyères de soufflage sur la surface du bain représente 0,5 à 5% en poids relativement à l'oxygène. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé- en ce que comme combustible contenant du carbone, on utilise des charbons de diverses qualités, du graphite, du coke de lignite, du coke et en particulier du poussier de coke ainsi que des mélanges de ces matières. 6. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les combustibles contenant du carbone sont introduits dans le bain sous forme de poudre et à l'état sec au-dessous de sa surface 7. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'oxygène est soufflé en quantités sensiblement égales au-dessous et au-dessus de la surface du bain.