Brevet FR2525632A1 — publié le 19831028

PROCEDE DE TRAITEMENT POUR AMELIORER LA PERMEABILITE DES FONDS DE RECIPIENTS METALLURGIQUES POURVUS D'ELEMENTS REFRACTAIRES PERMEABLES, ET MATERIAUX POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention se situe dans le domaine de l'élaboration des métaux, notamment de l'acier Elle concerne plus précisément les recipi- ents métallurgiques, particulièrement les convertisseurs d'affinage, dont le fond est pourvu d'éléments réfractaires perméables. On connait des traitements métallurgiques qui consistent à soumet- tre un bain de métal en fusion à un brassage pneumatique par injection contrôlée d'un fluide de brassage, habituellement un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon, au travers d'éléments réfractaires perméables incor- porés au revêtement réfractaire habituel qui forme le fond du récipient contenant le bain (FR-A 2 322 202, US n O 3 259 484). L'application d'une telle technique de brassage à un convertisseur d'aciérie à l'oxygène d'affinage soufflé par le haut, se développe actuel- lement dans le monde entier sous la dénomination commerciale "procédé LBE" (Lance Brassage Equilibre) Ce procédé tend à réaliser, comme son nom l'indique, l'équilibre entre métal et laitier et permet ainsi de cumuler, dans une large mesure, les avantages respectifs des procédés classiques d'affinage à soufflage d'oxygène par le haut et à soufflage d'oxygène par le bas. De nombreuses solutions ont déjà été proposées visant à conférer aux éléments réfractaires une perméabilité sélective suffisante pour as- surer un débit de fluide de brassage satisfaisant, tout en évitant une pénétration en sens inverse du métal en fusion Parmi les diverses solu- tions proposées à cet égard, on peut noter en particulier celle décrite dans la demande de brevet européen publiée N O 21 861 et qui consiste à former des zones de passage de très faible dimension dans un matériau ré- fractaire compact habituel; ce résultat étant obtenu, soit en incorporant des corps étrangers longitudinaux (direction de soufflage) au sein d'une masse réfractaire monolithique, soit par juxtaposition de plaquettes ré- fractaires avec interposition entre elles de cales d'écartement calibrées. Par ailleurs, ces éléments, comme tout matériau réfractaire, s'usent inévitablement au contact du métal en fusion Cette usure est en outre accélérée en raison même du soufflage gazeux des mouvements de convection très sensibles au niveau des éléments de soufflages et dont les effets induits se-font également sentir sur la durée de vie du réfractaire 39 classique environnant lrais on réussit aujourd'hui, notamment grâce aux éléments de type évoqué ci-avant, à limiter leur vitesse d'usure, à peu de chose près, à celle du revêtement réfractaire classique constituant le fond, lequel retrouve ainsi une durée de vie comparable à celle qu'il présente dans les convertisseurs classiques à soufflage d'oxygène par le haut (type L D). Un autre problème se pose en pratique consistant dans le fait que la perméabilité des éléments de soufflage a tendance à diminuer en cours d'utilisation Ce phenonène apparaît d'ailleurs quelque peu paradoxal, car il accompagne l'usure progressive normale du fond, et qu'on est en droit donc de penser que, Ips éléments s'usant pratiquement à la même vitesse que le fond, leur perméabilité devrait au contraire augmenter dans le temps, suite à une diminution des pertes de charge dans les espaces de soufflage. Sinon à remplacer fréquemment les éléments perméables lorsque leur perméabilité ne permet plus de faire passer les débits de gaz voulus, (ce qui serait non seulement fortement pénalisant, mais encore ôterait tout l'intérêt procuré par une durée de vie des éléments égale à celle du fond), le problème revient à savoir s'il existe une méthode simple, effi- cace, et peu coûteuse permettant de réhausser le niveau de perméabilité de ces éléments, sans avoir à intervenir directement sur eux, et notamment sans devoir les remplacer par des éléments neufs. Dans le but d'apporter une solution à ce problème, l'invention à pour objet un procédé de traitement pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques, notamment les convertisseurs d'aciérie à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut, lesdits fonds étant pourvus d'éléments réfractaires perméables pour l'introduction contrôlée d'un fluide de brassage, dans le bain de métal en fusion contenu dans le réci- pient, procédé caractérisé en ce que, après avoir vidé le récipient de son contenu au terme de l'affinage d'une charge quelconque, on dépose dans le fond un béton en matériau réfractaire compatible avec le matériau réfrac- taire constitutif du fond, ledit béton présentant une fluidité suffisante pour assurer son étalement sur le fond; et en ce que on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfrac- taires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage. Pour fixer les idées, dans le cas d'un convertisseur moderne d'une capacité supérieure à 20 E t, on pourra maintenir, dans les éléments une pression assurant un débit de fluide de brassage de l'ordre de 3 E m /h 39 environ, par élément compté en m 3 gazeux. Conformément à un mode opératoire particulier préféré, on prépare un béton réfractaire bien coulable, capable d'atteindre le fond du réci- pient à partir du bec en coulant le long de la paroi latérale; on déverse ce coulis dans le récipient par le bec, le récipient étant en position inclinée, par exemple en position intermédiaire entre la position redressée et la position complètement basculée qu'il présente en fin de coulée du métal en fusion, puis on le redresse b la verticale pour assurer la répartition du béton sur le fond et on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour assurer un débit de fluide de brassage. Le cas échéant, on pourra faire basculer le récipient de part et d'autre de sa position verticale pour parfaire l'étalement du -coulis sur le fond. Dans ce qui suit, on appellera la matière réfractaire coulée pour le traitement du fond, indifféremment "béton" ou "coulis" On considérera également que le récipient métallurgique est un convertisseur d'affinage à l'oxygène soufflé par le haut au moyen d'une lance verticale émergée, étant entendu que l'invention s'applique également à tout autre récipient métallurgique, par exemple, les poches ou les fours à arc. Par l'expression "un béton en matériau réfractaire compatible avec le matériau réfractaire constitutif du fond", on entend désigner toute matière réfractaire capable, compte tenu de la nature du fond, de coller sur ce dernier lors de sa solidification Il s'agit par exemple d'un béton magnésien si le fond a une prédominance en magnésie, ou un béton dolomiti- que si le fond est à base de dolomie, etc En outre, par l'expression "béton réfractaire bien coulable" on en- tend qualifier une préparation de ce dernier qui le rend plus fluide que la fluidité qui résulterait d'une préparation conforme aux prescriptions du fabricant de béton Autrement dit, il s'agit généralement de rendre ce béton bien humide, c'est-à-dire contenant un excès d'eau par rapport aux prescriptions habituelles de façon à atteindre une teneur de l'ordre de % en poids. Par ailleurs, il est -clair que plus l'eau sera en excès plus le temps de séchage sera long. D'un autre côté, la limite inférieure du taux d'humidité à adopter doit tenir compte de la capacité, c'est-à-dire de la taille du récipient, notamment de sa hauteur et du diamètre du fond, ainsi que de sa masse thermique, afin que le béton puisse, en étant introduit par l'extrémité 39 ouverte supérieure (le bec) atteindre le fond, puis une fois le fond at- teint, s'y étaler avant de se solidifier. Pour fixer les idées, des séries d'essais effectués sur un conver- tisseur de 24 vl t ont montré que la teneur en eau se situe préférentiel- lement entre t et 1 ( 1 ô en poids, c'est-à-dire l à 2 points ce plus que ce que préconise au maximum le fabricant (jusqu'à 7 %, mais plus généralement compris entre 3 et 6 a). Comme on le voit, la méthode selon l'invention est simple, peu coûteuse, et ne pose aucune difficulté non-maitrisée La présence d'élé- ments réfractaires perméables logés dans le fond n'implique aucune autre exigence au cours du séchage du coulis que celle qui consiste à maintenir au travers d'eux un débit minimal de fluide de brassage, débit que l'on peut qualifier "de sécurité" et qui de surcroît s'opère en temps masqué. De plus, ce débit que l'on peut considérer comme perdu (c'est-à- dire non utilisé pour le traitement du bain proprement dit) n'alourdit que très faiblement le coût global de l'opération, compte tenu de sa valeur relativement minime par rapport à celle mise en oeuvre (de l'ordre de 150 m 3/h par élément) lors du brassage du bain On peut même dire que les conséquences sur le coût sont pratiquement négligeables, si on prend soin de choisir un gaz largement disponible dans le commerce, comme l'azote par exemple, ou le cas échéant, un gaz de récupération produit dans l'usine elle-même, comme le CE 2. Une fois séché, le coulis est en prise mécanique sur le fond et forme une couche réfractaire pouvant atteindre dans la zone centrale, une épaisseur moyenne comprise entre 5 et 26 cm environ (convertisseur de 24 M t) Le convertisseur est alors prêt pour le traitement de nouvelles char- ges On constate dès la première charge traitée que, non seulement la per- méabilité du fond est conservée, mais qu'elle a de plus très sensiblement augmenté par rapport au niveau qu'elle avait avant l'apport du coulis. On rappelle à toutes fins utiles, qu'un indicateur possible du "niveau' de perméabilité peut être constitué par le rapport pression/débit de fluide dans la conduite d'amenée de ce dernier à l'élément réfractaire perméable Ce rapport peut être norm 6 par sa valeur de référence, l'élà- ment perméable étant pris à l'état neuf avec soufflage à vide ou au cours de l'affinage de la première charge au convertisseur. L'explication des résultats obtenus n'est pas encore totalement élucidée: l'observation semble montrer, que la préservation de la perméabi- lité est assurée par la présence d'un réseau de canaux reliant la face de 39 soufflage de l'élément à la surface libre au fond au travers oe la couche de coulis rapportée, ce réseau se formant lors du séchage de cette couche grâce au soufflage permanent du fluide de brassage. quant à l'amélioration de cette perméabilité, il s'agit peut- être, d'un phénomène interne à l'élément réfractaire perméable lui-même. On est, en effet en droit de penser que l'origine se trouve vraisemblablement dans les effets de choc thermique provoqués au sein des éléments de soufflage par la coulée de la masse de béton froid (température inférieure à 100 îC) et amplifiés encore par le flux permanent de fluide de brassage. On peut supposer que les contraintes thermiques qui en résultent au sein des éléments de soufflage par contraction de la matière provoque, en se libérant, une formation de micro-fissures s'amorçant en paroi des passages originels prévus pour le fluide de brassage. Ces hypothèses s'appuient, entre autre, sur le fait que l'on cons- tate statistiquement une amélioration plus importante de la perméabilité de ces éléments lorsque toute la masse de béton liquide destiné à recou- vrir le fond et coulé rapidement, en une seule fois, dans le récipient (ce mode opératoire constituant d'ailleurs une mise en oeuvre préférée de l'invention). D'un autre côté, il a été constaté, compte tenu de l'importante masse thermique du fond, que la température du coulis apporté (laquelle nécessairement se situe entre 00 C et 100 l C en raison de sa forte teneur en eau), n'influait pas de façon sensible sur la perméabilité. Mais on peut également penser à une explication purement aérodyna- mique, le fluide de brassage pouvant pour une part circuler latéralement dans des zones de moindre perte de charge qui se forment éventuellement à l'interface de la couche de coulis déposée et du fond réfractaire préexis- tant. La technique selon l'invention peut-être mise en oeuvre à tout mo- ment, aussi bien entre deux campagnes d'affinage, qu'entre deux charges d'une même campagne, ou même avant la première charge, sur un convertis- seur à l'état neuf. On comprend qu'accessoirement l'invention assure également une ré- paration ou une rénovation des fonds usés. Par ailleurs, l'invention s'applique quelque soit le type d'élé- ments réfractaires perméables montés dans le fond Il doit être cependant souligné, que d'excellents résultats ont été obtenus avec des éléments tels que ceux évoqués au début,, et dont on pourra avoir plus ample connaissance en se reportant à la description détaillée qui en est faite 39 dans la demande de brevet européen na 21 861 déjà citée. 252563 ? REVENDICATIONS 1 ) Procédé de traitement pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques, notamment de convertisseurs d'aciérie à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut, lesdits fonds étant pourvus d'éléments réfractaires perméables pour l'injection contrôlée, d'un fluide de brassage, dans le bain de métal en fusion, procédé caractérisé en ce que, après avoir vide le récipient de son contenu, on dépose dans le fond un béton en matériau réfractaire compatible avec celui constitutif du fond, ledit béton présentant une fluidité suffisante pour assurer son étalement sur la surface du fond, et en ce qu'on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on prépare un béton réfractaire bien coulable, c'est-à-dire capable d'at- teindre le fond du récipient à partir du bec en coulant le long de la paroi latérale; en ce que, après avoir vidé le récipient de son contenu, on déverse ce coulis dans le récipient par le bec, le récipient étant en position basculée, puis on le redresse à la verticale pour assurer la répartition du coulis sur le fond et on le laisse sécher et assurer sa prise tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de bras- sage. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, après avoir déverser le béton dans le récipient, on fait basculer ce dernier de part et d'autre de sa position verticale afin de parfaire l'étalement du béton sur le fond. ) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, on maintient dans les éléments perméables, au cours du séchage et de la prise du béton coulé, une pression suffisante pour assurer un débit perma- nent de fluide de brassage de l'ordre de 30 m 3/h environ par élément, compté en m gazeux. ) Réton réfractaire pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente une teneur pondérale en eau comprise entre 8 et 10 %.