Brevet FR2566427A1 — publié le 19851227

INSTALLATION POUR L'ELABORATION DE L'ACIER PAR PREAFFINAGE DE LA FONTE La présente invention se rapporte à l'élaboration de l'acier par préaffinage de la fonte. On sait que le convertisseur d'affinage à l'oxygène est un réacteur qui permet, en principe, d'éliminer jusqua'à des teneurs très faibles les éléments oxydables de la fonte, dont les principaux sont le carbone, le phosphore et le sili- cium. Cependant, malgré des progrès importants (soufflage d'oxy- gène par le fond, ou soufflage mixte, par le fond et par le haut), il semble toujours difficile d'obtenir des résultats bien reproductibles, d'une installation d'affinage à une autre. Par ailleurs, la tendance du marché vers des nuances d'acier de plus en plus pures implique un accroissement sensible du prix de revient pour ces nuances élaborées au convertisseur, ou mème, parfois, une impossibilité de pouvoir réaliser au convertisseur seul toutes les spécifications demandées. On sait qu'une réponse à ces problèmes consiste à séparer dans le temps et dans l'espace les diverses opérations d'oxydation qui permettent de passer de la fonte à l'acier (désiliciation, déphosphoration, décarburation) de façon à les optimiser séparément. Les opérations de désiliciation et de déphosphoration menées dans ces conditions caractérisent ce que l'on dénomme désormais, le prétraitement, ou plus précisément le préaffinage de la fonte. Les installations connues de préaffinage procèdent toutes par des opérations séquentielles (désiliciation, puis déphosphoration, puis décarburation) sur des quantités de fonte discrètes et répétitives. Une partie de la masse de fonte liquide à prétraiter est en effet transvasée successivement dans plusieurs récipients métallurgiques indépendants, plus ou moins spécialisés chacun pour la phase de traitement qui lui est dévolue, ou bien placée dans un récipient unique, généralement une poche droite, que l'on amène auprès de postes fixes de traitements successifs répartis dans l'atelier- (Demande de brevet français n0 2 439 821 de NSC). Quel que soit leur type, ces installations ne donnent pas encore entière satisfaction. En particulier, les trans- ferts de la fonte dans les différents récipients, ou d'un poste de traitement au suivant, occasionnent des temps d'at- tente, donc également des pertes thermiques, et bien souvent même une détérioration de la mise au mille "métal" en raison des opérations de décrassages intermédiaires des laitiers d'épuration formés dans chaque phase opératoire de préaf- finage. De plus, comme le fonetionnement est discontinu, ehaeune de ces phases est cyclique et présente de ce fait des périodes de régimes transitoires qui sont malaisés a bien maîtriser et qui pénalisent l'1efficacité du traitement global, et ceei même à supposer que l'ensemble des phases successives puisse être correctement coordonné dans le temps. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients. Pour ce faire, elle a pour objet une installation pour l'élaboration de l'acier par préaffinage de la fonte, qui se caractérise en ce qu'elle Comprend un étage de désili- ciation et de déphosphoration, suivi d'un étage de décarburation, et.dans lequel la fonte à préaffiner est destinée à former un bain dont la surface libre est maintenue ' un niveau prédé- terminé, l'étage de désiliciation et de déphosphoration compre- nant au moins: - un premier réacteur ayant une partie située au-dessus du niveau prédéterminé et dans laquelle débouchent des moyens pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens pour intro- duire des agents d'oxydation du silicium et du phosphore ainsi que des agents de formation d'un laitier de désiliciation et de déphosphoration et des moyens pour créer une atmosphère oxydante, ainsi qu'une partie située au-dessus du niveau prédé- terminé et dans laquelle sont prévus des moyens de brassage du bain métallique; - et un premier décanteur séparé du premier réacteur par une cloison comportant une ouverture de communication au- dessous du niveau prédéterminé et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de ce niveau, ce décanteur comportant une ouver- ture de sortie située au-dessous du niveau prédéterminé et communiquant avec un conduit de liaison destiné à transférer continuement la fonte désiliciée et déphosphorée vers l'étage de décarburation, et un déversoir situé au-dessus du niveau prédéterminé pour évacuer continuement le laitier de désilicia- tion et de déphosphoration provenant du premier réacteur par débordement au-dessus de ladite cloison. De préférence, l'étage de décarburation comprend - un second réacteur dans lequel la fonte à décarburer est destinée à former un bain dont la surface libre est mainte- nue à un second niveau prédéterminé, le second réacteur compor- tant une ouverture d'entrée située au-dessous du second niveau prédéterminé et communiquant avec le conduit de liaison prévu à la sortie du décanteur, ainsi que des moyens situés au-dessus du second niveau prédéterminé pour insuffler un gaz oxydant; - et un second décanteur séparé du second réacteur par une cloison étanche dont l'extrémité supérieure est au-dessus du second niveau prédéterminé, le second décanteur comportant un déversoir pour évacuer continuement le laitier de décarbura- tion provenant d'une émulsion fonte-laitier de décarburation formée dans le second réacteur et ayant débordé au-dessus de la seconde cloison, ainsi qu'une ouverture de sortie pour éva- cuer continuement la fonte affinée. L'installation conforme à l'invention est conçue pour fonctionner en continu et peut donc avoir un rendement nette- ment supérieur à celui des installations actuelles. Par ailleurs, comme la fonte peut circuler librement de l'étage de désilicia- tion et de déphosphoration à l'étage de décarburation, les dispositifs de transfert utilisés jusqu'ici peuvent être pure- ment et simplement supprimes, ce qui permet par conséquent une réduction appréciable des investissements. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étage de désiliciation et de déphosphoration comprend une unité de désiliciation et une unité de déphosphoration compor- tant chacune un réacteur séparé d'un décanteur par une cloison comportant une ouverture de communication au-dessous du niveau prédéterminé et dont l'extrémité supérieure est située au-dessus de ce niveau et forme un seuil de débordement du laitier, le réacteur de désiliciation comportant des moyens pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens pour intrcduire les agents de désiliciation, et des moyens de brassage du bain métallique; le réacteur de déphosphoration comportant des moyens pour intro- duire les agents de déphosphoration, des moyens pour créer une atmosphère oxydante, et des moyens de brassage du bain métallique; les décanteurs de désiliciation et de déphosphora- tion comportant des moyens pour évacuer continueamnt le laitier qu'ils renferment; le décanteur de désiliciation étant relié au réacteur de déphosphoration par un conduit de transfert naturel de la fonte tandis que le décanteur de déphosphoration est relié à un conduit de liaison iPaergé commuaiquant avec l'étage de décarburation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente- invention ressortiront de la description qua sera donnée ci-après à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan schéEatique d'une installation conforme à l'invention D - la figure 2 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne Il-I! de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne 111-III de la figure 1 - la figure 4 est une vue en plan schématique d'une variante de l'installation représentée sur la figure 1; - et la figure 5 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne IV-IV de la figure 4. L'installation représentée sur les figures 1 a 3 com- prend un étage de désiliciation et de déphosphoration A dans lequel lafonte à préaffiner est destinée à former un bain en fusion AR atteignant un niveau prédéterminé N1 sensiblement constant, un étage de décarburation B communiquant avec la sortie de L'étage A, et un récipient métallurgique C prévu le cas échéant pour mettre à la nuance l'acier sortant de l'étage B. L'étage de désiliciation et de déphosphoration A com- prend un premier réacteur 1 et un premier décanteur 2 contigu séparés l'un de l'autre par une première cloison 3 comportant une ouverture de communication 4 au-dessous du niveau N et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de celui-ci. Dans sa partie supérieure au-dessus du bain métallique, le premier réacteur comporte une goulotte 5 pour introduire la fonte liquide à préaffiner, une conduite 6 pour introduire des agents de désiliciation et de déphosphoration à l'état solide divisé, une porte 7 pour introduire éventuellement des additions refroidissantes telles que des ferrailles, et une lance 8 soufflant de l'oxygène pour créer une atmosphère oxy- dante au-dessus du bain de fonte. Ces différents moyens étant de conception classique, on ne décrira pas leur structure. On précisera toutefois que la lance 8 pourrait fort bien être remplacée par une tuyère fixe en paroi, puisque si le bain est bien maintenu à un niveau constant N1, la mobilité de l'in- jecteur d'oxygène n'est plus souhaitable. On précisera par ailleurs à toutes fins utiles que les agents de désiliciation sont généralement des oxydes métal- liques naturels tels que du minerai de fer ou de manganèse, et les agents de déphosphoration, des composés basiques tels que du carbonate de sodium, de la chaux ou du carbonate de calcium, qui peuvent, le cas échéant, se présenter sous la forme d'agglomérés préparés spécialement et dont la basicité est ajustée à la valeur souhaitée. Dans sa partie située au-dessous du niveau N1, et plus précisément dans son fond, le premier réacteur 1 comporte en outre des moyens de brassage 9 du bain métallique, ces moyens pouvant par exemple être constitués par des injecteurs de fluide, de brassages tels que des éléments réfractaires perméables. Le premier décanteur 2 comprend quant à lui une ouverture de sortie 10 située au-dessous du niveau N et reliée à un conduit de liaison 11, tel qu'un siphon destiné à transférer naturellement et en continu la fonte désiliciée et déphosphorée AD du décanteur vers l'étage de décarburation B. Il comprend également, au-dessus du niveau N, et de préférence en position éloignée du réacteur, un déversoir de décrassage 12 pour évacuer en continu le laitier de désiliciation et de déphosphoration forme dans le réacteur 1 puis passé dans l'enceinte calme du décanteur par débordement au-dessus du seuil que constitue l'extrémité supérieure libre de la cloison séparatrice 3. Une cheminée 13 pour extraire les fumées est également prévue A l'extrémité du décanteur éloignée du réacteur. De son coté, l'étage de décarburation B comprend un second réacteur 14 dans lequel le bain de la fonte à décarbu- rer BR est destiné à former un bain en fusion atteignant un second niveau prédéterminé N20 et un second décanteur 15 séparé du second réacteur 14 par une cloison étanche X6 dont l'extré- mité supérieure est au-dessus du niveau N2o Le second réacteur 14 comporte0 dans sa partie située sous le niveau N2, une ouverture d'entrée 17 communiquant avec le siphon 11, et des moyens 18 de brassage pneumatique du bain pouvant être du type de ceux prévus dans le fond du premier réacteur 1. Il comporte en outre des moyens 19 pour insuffler un gaz oxydant au-dessus du bain de fonte qu'il contient, ces moyens étant par exemple une lance à oxygène, ainsi qu'une porte 21 pour introduire éventuellement des matières refroidis- santes, telles que des ferrailles. Dans l'exemple de réalisation représenté, les niveaux N1 et N2 sont à la même hauteur puisque le réacteur 1, le décan- teur 2 et le réacteur 14 communiquent entre eux selon le princi- pe des vases communicants. Il va de soi cependant que le niveau N2 pourrait être à une hauteur inférieure à celle du niveau Ni, par exemple si le siphon 11 était remplacé par une conduite à débit réglable. Quant au second décanteur 150 il comporte un déversoir 20 pour évacuer le laitier de décarburation, une cheminée 22 pour extraire les fumées, et un orifice de sortie 23 destiné à évacuer la fonte affinée vers le nuanceur C. Pour produire de l'acier avec l'installation représen- tée sur les figures 1 à 3, on procède de la manière suivante: - on introduit régulièrement dans le premier réacteur I, de la fonte à préaffiner et des agents de -désiliciation et de déphosphoration par la goulotte 5 et la conduite 6 respecti- vement; - on crée une atmosphère oxydante au-dessus de ce bain en actionnant les moyens 8, et,au besoin,on ajoute par la porte 7 des matières refroidissantes dans le premier réacteur pour maintenir le bain métallique à la température d'élaboration voulue; - on actionne les moyens de brassage 9 et 18 des éta- ges A et B; - on insuffle par la lande 19 un débit d'O2 déterminé pour assurer la décarburation de la fonte dans le second réac- teur 15; - et le cas échéant on ajoute des matières refroidissan- tes à la fonte par la porte 21 pour le réglage thermique. Le silicium et le phosphore de la fonte contenue dans le premier réacteur 1 s'oxydent au contact de l'oxygène apporté par le minerai, et les oxydes produits sont fixés dans le lai- tier formé par les agents de désiliciation et de déphosphoration et dont la majeure partie surnage à la surface libre du bain en fusion. Ce laitier étant produit en continu, il déborde constamment au-dessus de la cloison 3 et parvient dans le premier décanteur 2 pour se diriger vers le déversoir 12 qui assure son évacuation en continu. La fonte, en grande partie désiliciée et déphosphorée dans le premier réacteur 1. passe en continu par l'ouverture de communication 4 de la cloison 3 et parvient ainsi dans le premier décanteur 2 dans lequel s'achèvent calmement la désili- ciation et la déphosphoration, en m5me temps que s'opère la séparation du métal et du laitier qui étaient passablement mélangés dans le réacteur sous l'influence conjuguée des réac- tions d'oxydation et du brassage pneumatique du bain. La fonte désiliciée et déphosphorée s'écoule ensuite hors du décanteur 2 par le passage 10 et traverse le siphon 11 pour parvenir dans le second réacteur 14. Dans celui-ci, le carbone en excès de la fonte, tout comme le silicium et le phosphore que celle-ci pourrait encore contenir, sont éliminés du bain métallique grâce à l'oxygène insufflé par la lance 19. De ce fait, le laitier de décarbura- tion résultant et la fonte forment une émulsion qui déborde au-dessus de la seconde paroi 16 et se répand dans le second décanteur 15. Une fois parvenue au repos dans le second décanteur, l'émulsion métal-laitier se partage lentemaent par gravité en deux phases superposées: la fonte affinée qui s'écoule en continu par l'orifice de sortie 23 et le laitier surnageant sur le bain de fonte et qui est évacué en continu par le déversoir 20. Les figures 4 et 5 représentent une installation dans laquelle l'étage de désiliciation et de déphosphoration A est divisé en deux unités adjacentes et contiguës 2 une unité de désiliciation D et une unité de déphosphoration E en aval de l'unité de désiliciation. L'unité de désiliciation D comporte un réacteur 24 séparé d'un décanteur 25 par une cloison 26 comportant une ouverture de communication 27 audessous du niveau N3 défini par.la surface libre de la fonte à affiner et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de ce niveau. De mame, l'unité de déphosphoration E comporte un réac- teur 28 séparé d'un décanteur 29 par une cloison 30 comportant une ouverture 31 au-dessous du niveau N3 et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de ce niveau. Le réacteur de désiliciation 24 comporte, dans sa partie située au-dessus du niveau- N3 des moyens 32 pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens 33 pour introduire des matières d'oxydation du silicium, tel que du minerai de fer et les agents de formation d'un laitier de désiliciation et des moyens 34 pour introduire le cas dcéant des matièeresrefroidissantes, et dans sa partie située sous le niveau N3D des moyens de brassage 35 tels que ceux prévus dans les réacteurs 1 et 14 de l'installation repré- sentée sur les figures 1 à 3. De son côté, le décanteur de désiliciation 25 comporte un déversoir 36 prévu au-dessus du niveau N3 pour éliminer le laitier de désiliciation, et une ouverture 37 située au- dessous du niveau N3 et communiquant avec le réacteur de déphos- phoration 28. Le réacteur de déphosphoration 28 comporte quant à lui, dans sa partie située au-dessus du niveau N3, des moyens 38 pour introduire les agents de déphosphoration et des moyens 39 pour créer une atmosphère oxydante, une porte 34' pour l'in- troduction éventuelle de matières refroidissantes, telles que des ferrailles,et dans sa partie située sous le niveau N3P des moyens de brassage 40. Le décanteur de déphosphoration 29 comporte à son tour un déversoir 41 prévu au-dessus du niveau N3 pour éliminer le laitier de déphosphoration,et une ouverture 42 prévue au- dessous du niveau N3 et communiquant avec un conduit 43 aboutis- sant dans ie réacteur 14 de l'étage de décarburation B. L'installation représentée sur les figures 4 et S se différencie donc de la précédente par son étage A dans lequel la désiliciation et la déphosphoration sont conduites l'une après l'autre dans des enceintes réactives séparées au lieu d'être réalisées en même temps dans le même récipient. Bien que le fonctionnement de cette installation para - tra évident pour l'homme de l'art, on précisera que: - le laitier de désiliciation formé dans le réacteur 24 s'écoule dans le décanteur 25 en débordant au-dessus de la cloison 26 et en est évacué continuement par le déversoir 36 - le laitier de déphosphoration formé dans le réacteur 28 s'écoule dans le décanteur 29 en débordant au-dessus de la cloison 30 et en est évacué continuement par le déversoir 41; - le décanteur 25 contient de la fonte désiliciée qui circule en continu vers le réacteur 28 en empruntant le passage de communication 37 - le décanteur 29 contient de la fonte désiliciée et déphosphorée qui circule en continu vers l'étage de décarbura- tion B en empruntant le passage de communication 43. Quant à l'étage de décarburation B, ses caractéristiques techniques et fonctionnelles sont bien entendu les mêmes que celles décrites en référence aux figures 1, 2 et 3. Il peut être prévu, pour réduire les pertes en fer par les laitiers, de recycler le laitier de déphosphoration, ou du moins une partie, dans le réacteur de désiliciation. Pour être complet, on précisera que la fonte déversée dans les installations conformes à l'invention peut être de la fonte brute de haut fourneau ou de la fonte à teneur en silicium sensiblement constante provenant d'un mélangeur. REVENDICATIONS 1) Installation pour l'élaboration de l'acier par préaf- finage de la fonte, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage de désiliciation et de déphosphoration (A), suivi d'un étage de décarburation (B),-et dans lequel la fonte à préaffiner est destinée à former un bain dont la surface libre est mainte- nue à un niveau prédéterminé {N1) l'étage de désiliciation et de déphosphoration (A) comprenant au moins: un premier réacteur (1; 24,28) ayant une partie située au-dessus du niveau prédéterminé (N1 a N3) et dans laquel- le débbuchent des moyens (5; 32) pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens (6 a 33) pour introduire des agents d'oxy- dation du silicium et du phosphore ainsi que des agents de formation d'un laitier de désiliciation et de déphosphoration, et des moyens (8 e 39) pour créer une atmosphère oxydante, ainsi qu'une partie située au-dessous du niveau prédéterminé (N; N3) et dans laquelle sont prévus des moyens de brassage (9 ,40) du bain métallique; - et un premier décanteur (2, 25,29) séparé du premier réacteur (1 s 24,28) par une cloison (3 a 26,30) comportant une ouverture de communication (4; 27,31) au-dessous du niveau prédéterminé {N1 s N3) et dont l'extrémité supérieure est au- dessus de ce niveau, ce décanteur (2; 25,29) comportant une ouverture de sortie (10 & 42) située au-dessous du niveau prédé- terminé (N1; N3), et communiquant avec un conduit de liaison et déphosphorée vers l'étage de décarburation (B), et un déver- soir (12; 36,41) situé au-dessus du niveau prédéterminé (NT N3) pour évacuer le laitier de désiliciation et de déphosphora- tion provenant du premier réacteur ( au-dessus de ladite cloison (3; 26,30). 2) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étage de décarburation (B) comprend: - un second réacteur (14) dans lequel la fonte àa- décar- burer est destinée à former un bain dont la surface libre est maintenue à un second niveau prédéterminé (N2), le second réac- teur (14) comportant une ouverture d'entrée (17) située au- 6642', dessous du second niveau prédéterminé (N2) et communiquant avec le conduit de liaison (11) prévu à la sortie du premier décanteur (2; 25,29), ainsi que des moyens (19) situés au-dessus du second niveau prédéterminé ( dant; - et un second décanteur (15) séparé du second réacteur (14) par une cloison étanche (16) dont l'extrémité supérieure est au-dessus du second niveau prédéterminé (N 2), le second décanteur (15) comportant un déversoir (20) pour évacuer le laitier de décarburation provenant d'une émulsion fonte-laitier de décarburation formée dans le second réacteur (14) et ayant débordé au-dessus de la seconde cloison (16), ainsi qu'une ouverture de sortie (23) immergée pour évacuer la fonte affinée. 3) Installation selon les revendications 1 ou 2, carac- térisée en ce que les moyens (8î 39) pbur créer une atmosphère oxydante dans le premier réacteur (1; 24,28) sont constitués par une lance de soufflage d'un gaz oxydant débouchant au-dessus de la surface libre du bain de fonte à préaffiner. 4) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que le réacteur de décarbura- tion (14) comporte des moyens de brassage (18) du bain métalli- que. ) Installation selon les revendications 1 et 4, carac- térisée en ce que les moyens de brassage (9,18 35,40,18) des premier et second réacteurs (1,14 v 24,28,14) sont constitués par des injecteurs de fluide de brassage débouchant sous la surface du bain métallique. 6) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les injecteurs sont constitués par des éléments réfrac- taires perméables logés dans le fond des premier et second réacteurs (1,14; 24,28,14). 7) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens (19) pour insuffler un gaz oxydant dans le second réacteur (14) sont constitués par une lance de souffla- ge débouchant au-dessus de la surface libre du bain de fonte à décarburer. 8) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étage de désiliciation et de déphosphoration (A) comprend une unité de désiliciation (D) et une unité de déphos- phoration (E) comportant chacune un réacteur (24,28) séparé d'un décanteur (25,29) par une cloison (26,30) comportant une ouverture de communication (27,31) au-dessous du niveau prédé- terminé (N3) et dont l'extrémité supérieure est située au-dessus - de ce niveau et forme un seuil de débordement - en ce que le réacteur de désiliciation (24) comporte des moyens (32) pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens (33) pour intro- duire les agents de désiliciation, et des moyens de brassage (35); en ce que le réacteur de déphosphoration (28) comporte des moyens (38) pour introduire les agents de déphosphoration, des moyens (39) pour créer une atmosphère oxydante, et des moyens de brassage (40); en ce que les décanteurs de désilicia- tion et de déphosphoration (25,29) comportent des moyens (36,41) pour évacuer le laitier- qu'ils renferment; et en ce que le décanteur de désiliciation (25) est relié au réacteur de déphos- phoration (28) par un conduit de transfert naturel (37) tandis que le décanteur de déphosphoration (29) est relié à un conduit de liaison immergé (42) communiquant avec l'étage de décarbu- ration (B). 9) Installation selon l'une quelconque des- revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que l'étage de désilicia- tion et de déphosphoration (A) et/ou l'étage de décarburation (B) sont pourvus de moyens (7,21; 34,21) pour introduire dans leur réacteur respectif des additions refroidissantes, notam- ment sous forme de ferrailles. ) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les moyens (5; 32) pour introduire la fonte dans l'étage de désiliciation et de déphosphoration (A) sont reliés à la sortie d'un mélangeur délivrant de la fonte à teneur en silicium sensiblement cons- tante provenant d'un mélangeur. 11) Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un récipient métallurgique (C) de mise à la nuance de l'acier produit, relié à la sortie de l'étage de décarburation (B).