Brevet FR2540518A1 — publié le 19840810

PROCEDE POUR LA CONDUITE D'UN FOUR METALLURGIQUE DE FUSION ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE La présente invention concerne la fusion de matières solides ferrifères dans un four métallurgique pour la production de fonte Elle s'applique avantageusement à la fusion d'éponges de fer, et de façon plus générale, à toutes matières solides riches en fer, notamment les ferrailles. Les fours de fusion considérés ici sont ceux du type o l'on introduit à la partie supérieure la charge solide composée par les matières Ferrifères et une quantité déterminée d'agents carbonés On soutire à la partie inférieure du four la fonte liquide, laquelle est obtenue par passage au travers de la charge solide d'un flux gazeux circulant de bas vers le haut et insufflé dans le four par des injecteurs latéraux (tuyères) placés entre l'entrée de la charge à fondre et la sortie de la fonte liquide. Les fours de ce genre sont généralement connus sous la dénomination " 1 cubilot'l Traditionnellement, la charge d'un cubilot est constituée de ferrailles (ou de fonte solide) et de coke dont le rôle est d'assurer la perméabilité de la charge, la carburation de la fonte produite et, par combustion avec le vent soufflé aux tuyères, les besoins thermiques de l'appareil Dans certains cas, ces besoins thermiques sont couverts partiellement par l'injection aux tuyères de combustible auxiliaire, tel que du gaz naturel ou du fuel par exemple. Cette façon de faire procure une grande souplesse d'utilisation, puisque il est possible de modifier la nature de la matière énergétique employée (coke ou hydrocarbures) en fonction des conditions économiques prévalentes, par exemple Il demeure cependant que cette souplesse est limitée au transfert d'une matière énergétique fossile à une autre matière énergétique fossile. La présente invention a pour but une nouvelle conduite avantageuse des fours de fusion du type considéré ci-dessus et permettant notamment une économie de matière énergétique non-renouvelable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la conduite d'un four métallurgique de fusion de matières solides ferrifères, notamment des matières riches en fer telles que les ferrailles, pour la production de fonte, selon lequel on introduit dans la partie supérieure 39 du four la charge solide composée par les matières ferrifères et une 25405 1 8 quantité déterminée d'agents carbonés, on soutire, à la partie inférieure du four, la fonte liquide obtenue par passage, au travers de la charge solide, d'un flux gazeux circulant de bas vers le haut et insufflé dans le four par des injecteurs latéraux placés entre l'entrée de la charge solide à fondre et la sortie de la fonte liquide, procédé caractérisé en ce que on enfourne avec des matières ferrifères la quantité d'agents carbonés au moins nécessaire à la carburation souhaitée de la fonte et en ce que l'on insuffle par les injecteurs latéraux un courant gazeux non- oxydant, ou très faiblement oxydant, préalablement chauffé à haute température, de Lanière que sa chaleur sensible échangée avec la charge solide soit suffisante pour assurer la fusion de celle-ci. Selon une mise en oeuvre préférée, le flux gazeux est porté à haute température par passage dans un état plasmatique par apport d'énergie électrique. Conformément à une autre mise en oeuvre préférée, le flux fazeux insufflé aux injecteurs est un gaz neutre, par exemple l'azote, que l'on recycle après captage à l'extrémité supérieure du four. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé qui se caractérise en ce qu'il comprend 5 un four métallurgique de fusion ouvert à sa partie supérieure pour l'enfournement de la charge à fondre et pour la sortie d'un flux gazeux, ouvrable à sa partie inférieure pour le soutirage de la matière fondue, et équipé d'injecteurs latéraux pour le soufflage d'un flux gazeux destiné à traverser la charge solide de bas vers le haut, un compresseur pour alimenter les injecteurs en flux gazeux et au moins une unité de préchauffage à haute température du flux gazeux monté à la sortie du compresseur. Avantageusement, cette unité de préchauffage est constituée par une torche à plasma En variante, chaque injecteur latéral ou certains d'entre eux seulement sont constitués par une torche à plasma - Avantageusement encore, le four est équipé à sa partie supérieure de moyens de captage des gaz sortant de la charge à fondre et canalisant les gaz captés vers le-compresseur. Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'une des caractéristiques déterminantes de l'invention consiste à remplacer une partie du coke dela charge et/ou les combustibles auxiliaires enfournés au début, par de l'électricité, notamment de l'électricité d'origine nucléaire que l'on utilise de façon massive dans des torches à plasma De 59 plus, le vent habituellement soufflé aux tuyères est remplacé par un gaz 25405 1 8 neutre, tel que de l'azote par exemple, qui peut être recyclé dans le four à l'aide d'un circuit fermé. Rien entendu, le flux gazeux utilisé peut être légèrement oxydant pour brûler, si l'on le désire, une-partie du coke à enfourner avec la charge Dans ce cas, la quantité de coke à enfourner sera léÀàrement supérieure à celle qui serait nécessaire au simple besoin de carburation de la fonte Il va de soi que ce coke thermique supplémentaire peut très bien être remplacé, comme dans la pratique habituelle, par des hydrocarbures injectés dans le flux qazeux. Ces différentes possibilités restent toutefois du second ordre et ne doivent pas masquer l'atout essentiel de -l'invention qui consiste à remplacer au maximum les combustibles fossiles par de l'énergie renouvelable, et notamment l'énergie électrique L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence à la figure unique jointe représentant schématiquement un cubilot appareillé conformément à l'invention. On a représenté en 1 le cubilot et en 2 le circuit de soufflage gazeux Le cubilot présente une partie supérieure ouverte 3 pour l'enfournement des matières à fondre 4 La matière fondue constituée par un lit de fonte 6 sur lequel surnage des scories 7, est alors recueillie à la partie inférieure du cubilot o elle peut être soutirée par un trou de coulée 8 Le flux gazeux insufflé aux tuyères 5 est de l'azote préalablement chauffé à 25 QU C dans une -torche 3 plasma 9 Comme on le voit, cette torche est montée à la sortie d'un compresseur 1 C qui se trouve relié à une source électrique haute tension non représentée, de caractéristiques suffisantes pour permettre au gaz soufflé de passer par un état plasmatique. On observe que le dispositif représenté est du type à circulation du gaz en un circuit fermé Il comprend à cet effet une hotte de captaqe symbolisée en 11 qui collecte les gaz à leur sortie de la charge 4 et les canalise jusqu'au compresseur 10 On réalise ainsi un recyclage du gaz insufflé dans le four moyennant un circuit fermé comprenant dans l'ordre une hotte de captage 11, le compresseur 1, la torche à plasma 9, et les tuyères de soufflage 5. Il peut être avantageux de prévoir en complément un piège 12 à Co monté sur le circuit basse pression en amont de 1 P hotte de captaoe Il Le pièqe 12 peut se justifier dans de nombreux cas pour éliminer du 39 circuit gazeux le CO 2 qui se serait formé par combustion dans le four de 25405 1 8 la faible quantité d'oxygène inévitablement apportée par la charge, notamment sous forme d'oxydes lorsqu'il s'agit de ferrailles. Ceci étant, la mise en oeuvre de l'invention ne modifie absolument pas fondamentalement la marche d'un four de fusion tel qu'un cubilot Le coke est en effet toujours chargé avec la ferraille-, mais en quantité juste nécessaire à la carburation de la fonte, c'est-à-dire entre 50 et 60 kg par tonne environ, et les torches à plasma installées derrière, ou même à la place des tuyères traditionnelles, chauffent à hau e température le gaz neutre. Le tableau comparatif ci-dessous donne un ordre de grandeur des énergies mises en jeu à la tonne de fonte - * 15 I. =r= I | Cubilot | Cubilot l I classique I à plasma l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ 1 I I I Consommation de coke en kg/t de fonte | 150 I 55 l I __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ i _ _ _ _ I | Consommation électrique | -_ I 500 k Wh l 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3 1 _ _ _ I _ _ _ _ _ Débit d'air en m (n)/tonne de fonte 600 - I, l l I Déb I td' e en ' ' 'I ' I | Débit d'azote en m (n)/tonne de fonte | | 500 l I, I l Ces résultats reflètent les marches du cubilot sans apport de combustibles auxiliaires aux tuyères. On note une économie de coke de près des deux tiers, grâce à la mise en oeuvre de l'invention, moyennant une consommation électrique d'environ 500 Kw/h par tonne de fonte Par ailleurs, les débits de gaz mise en oeuvre sont très peu différents dans les deux cas. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure o sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes. ParmeÈ les avantages procurés par la mise en oeuvre de l'invention, on peut citer, outre ceux déjà mentionnés, le fait que le fondeur dispose ainsi d'un nouvel outil très performant pouvant aisément trouver sa place parmi les appareils traditionnels tels que le haut 9 fourneau ou le four électrique à arc En particulier, l'invention trouve 25405 18 une application préférentielle, mais bien entendu non limitative, dans la filière de production des aciers courants, tels que les ronds à béton, pour laquelle, comme on le sait, d'un côté la fusion-réduction de minerais au haut fourneau apparaît souvent non justifiée économiquement et, de l'autre, la fusion de ferrailles au four électrique à arc suppose bien souvent de très lourds investissements. De ce point de vue, l'invention s'inscrit comme un moyen- privilégié de valorisation de petits fours de fusion que l'on trouve actuellement encore dans la plupart des fonderies existantes. 25405 18 REVENDICATIONS 1) Procédé pour la conduite d'un four métallurgique de fusion de matières solides ferrifères pour la production de fonte, selon lequel on introduit dans la partie supérieure du four la charge solide à fondre composée par les matières ferrifères et une quanti-té déterminée d'agent carboné, et on soutire, à la partie inférieure du four, la fonte liquide obtenue par passage au travers de la charge solide d'un flux gazeux circulant du bas vers le haut et insufflée dans le four par des injecteurs latéraux placés entre l'entrée de la charge à fondre et la sortie de la fonte liquide, procédé caractérisé en ce que on enfourne avec les matières ferrifères la quantité d'agent carboné au moins nécessaire à la carburation souhaitée de la fonte et en ce que l'on insuffle par les injecteurs latéraux un courant gazeux non-oxydant, ou très faiblement oxydant, préalablement chauffé à haute température, de manière que la chaleur sensible échangée avec la charge solide soit suffisante pour assurer la fusion de celle-ci, ou d'une partie importante de celle-ci. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on préchauffe le courant gazeux insufflé dans le four par passage à un état plasmatique par apport d'énergie électrique. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on insuffle dans le four un courant gazeux que l'on recycle après l'avoir capté à sa sortie à la partie supérieure du four. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, avant d'insuffler le courant gazeux recirculé, on effectue une purge pour éliminer la quantité d'oxydes de carbone éventuellement formés dans le four par réaction entre l'agent carboné et l'oxygène apporté par la charge solide à fondre. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que on utilise comme courant gazeux un courant d'azote. 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: un-four métallurgique de fusion ouvert à sa partie supérieure pour l'enfournement de la charge à fondre et la sortie d'un flux gazeux, ouvrable à sa partie inférieure pour le soutirage de la matière fondue, et équipée d'injecteurs latéraux pour le soufflage du flux gazeux destiné à traverser la charge à fondre; 39 un compresseur pour alimenter les injecteurs en flux gazeux 25405 1 8 et au moins une unité de préchauffage à haute température du flux gazeux montée à la sortie du compresseur. 7) Dispositif selon la revendiction 6, caractérisé en ce que le four est équipé à sa sortie supérieure de moyens de captage de gaz sortant de la charge à fondre, lesdits moyens canalisant les qaz captés vers le compresseur. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens de purge piégeant le gaz carbonique sont prévus entre les moyens de captage et le compresseur. 9) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de préchauffage est une torche à plasma. ) Dispositif selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce que les torches à plasma constituent les injecteurs latéraux du four. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que des moyens sont prévus entre les moyens de captage et l'unité de préchauffage pour permettre un apport de gaz compensant les pertes normales du circuit.