Brevet FR2634787A1 — publié le 19900202

PROCEDE D'OBTENTION D'UN LAITIER MOUSSANT DANS UN FOUR ELECTHIQUE D'SCIERIE La présente invention concerne un procédé de formation, au cours de l'élaboration d'acier liquide dans un four électrique d'aciérie, d'un laitier du type communément désigné par les termes "laitier moussant". Un laitier moussant est caractérisé par la présence en son sein de multiples petites bulles de gaz qui augmentent considérablement son volume. Pour que cet état physique du laitier soit stable, il est nécessaire que les bulles soient formées en permanence. La pratique consistant a effectuer l'élaboration de l'acier liquide au four électrique en présence d'un tel laitier moussant s'est largement répandue durant les dix dernières années. Par rapport a un laitier classique, un laitier moussant présente en effet de nombreux avantages. Sa principale propriété est de permettre l'immersion complète dans le laitier de l'arc électrique grâce auquel l'énergie est communiquée au bain d'acier. Ainsi, le rayonnement de l'arc en direction des parois du four est fortement diminué. Il s'ensuit des avantages techniques et économiques bien connus qui seront rappelés par la suite. La formation permanente au sein du laitier des petites bulles de gaz peut être assurée de diverses manières - Il est possible de profiter de la décarburation du bain d'acier liquide. Les grosses bulles de CO, issues du métal et traver sant le laitier, entraient avec elles une pellicule de métal liquide. Lorsque les bulles parviennent à l'interface laitier atmosphère, elles éclatent, et la pellicule de métal retourne au sein du laitier sous forme de fines gouttelettes. Le carbone contenu dans ces gouttelettes réagit alors avec les oxydes du laitier les plus facilement réductibles, tels que les oxydes de fer ou de manganèse. Ainsi, les gouttelettes sont le siège de la formation de nombreuses petites bulles de CO qui per mettent d'entretenir le moussage du laitier.Pour que ce méca- nisme soit possible, il est cependant nécessaire que le laitier soit riche en oxydes aisément réductibles (qu'il contienne, par exemple, de l'ordre de 20 S d'oxydes de fer), et que la décarburation de l'acier liquide soit intense. Cette dernière condition est spontanément réalisée lorsque le métal n'est pas désoxydé et que sa teneur en carbone est supérieure à environ 0,15 %. En deçà de cette valeur, la décarburation doit être accentuée par une insufflation d'oxygène dans l'acier liquide. - Une autre façon connue de former de petites bulles au sein du laitier est d'ajouter à celui-ci du carbone, par exemple sous forme de charbon. Le carbone réagit avec les oxydes réduc tibles du laitier pour former du CO. La matière carbonée peut être introduite dans le four par gravité, auquel cas elle a tendance à se déposer préférentiellement sur la surface du laitier. Son introduction par une lance plongeant dans le laitier permet un meilleur mélange entre le carbone et le laitier, et augmente l'efficacité de l'opération de mous sage. Ce brassage du laitier peut être accentué par les grosses bulles de CO issues d'une décarburation du métal, celle-ci pouvant être obtenue au moyen d'une insufflation d'oxygène à l'interface métal-laitier.Mais lorsque la teneur en carbone du- métal liquide approche le niveau désiré pour l'acier à produire et qu'une décarburation intense du bain n'est donc plus souhaitée, le moussage du laitier doit être entretenu par des additions de matières carbonées dans le laitier. Toute fois, cette pratique n'est pas sans inconvénients. La réaction de combustion du carbone est exothermique et produit 4,2 MJ/kg de CO formé. L'addition de matières carbonées au laitier se traduit donc par un apport d'énergie appréciable à l'ensemble de la charge. Mais le charbon, qui est le produit le plus classiquement utilisé, est d'un coût relativement élevé, d'au tant plus qu'il doit se présenter avec une granulométrie inL;- rieure à 5 mm et être sec, pour que son addition au moyen d'un distributeur de poudres de type classique soit possible. Des produits carbonés riches en cendres et peu coûteux, tels que les résidus de laveries de charbon, et présentant les caractéristiques physiques précédentes, pourraient être substi tués au charbon. Hais par rapport à celui-ci, ces produits, plus pauvres en carbone, provoquent un moussage moins intense, à quantités ajoutées égales. Par ailleurs, la réaction du carbone avec le laitier est lente, et, souvent, n'est pas achevée au moment où le métal liquide doit être coulé en poche. Le brassage intense en poche de l'ensemble métal-laitier provoqué par la coulée, conduit à une brusque accélération de la réaction carbone-laitier, dont les conséquences peuvent être des projections et débordements de métal hors de la poche. Ce moussage peut alors provoquer l'éjection hors de la poche d'une partie du métal et du laitier, mettant ainsi en danger le personnel et le matériel. Le but de la présente invention est de proposer une méthodé économique de réalisation d'un laitier moussant, qui utilise des matières carbonées sans en supporter les inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'élaboration de l'acier au four électrique selon lequel on forme un laitier moussant au moyen d'une addition dans le laitier d'un matériau contenant du carbone, et d'une insufflation d'oxygène au voisinage de l'interface métal-laitier, caractérisé en ce que le matériau carboné est préalablement mélangé à un matériau carbonaté. De préférence, ces matériaux sont mélangés dans des proportions telles que l'effet endothermique sur l'ensemble métal-laitier de l'addition du matériau carbonaté est compensé par l'effet exothermique de la combustion du carbone contenu dans le matériau carbone. Dans une forme de réalisation, ce mélange est ajouté au sein du laitier sous forme pulvérulente par insufflation au moyen d'une lance. Il est en effet connu que l'introduction dans le laitier de matières carbonatées, telles que la castine CaCO3 ou la dolomie CaCO.MgCOX, permet également de générer du CO selon les réactions suivantes (dans le cas de la dolomie) : H = 3.SMJ/kg de dolomie Ces matières carbonatées sont peu coûteuses, mais leur inconvénient majeur est l'importante quantité d'énergie nécessaire à leur réchauffage et à leur décomposition, comme le montre l'exemple de la dolomie cité précédemment. Leur addition massive conduit donc à un abaissement sensible de la température du métal et du laitier. Cet abaissement doit alors être compensé par un apport supplémentaire d'énergie électrique pour que la température de coulée visée soit atteinte.Pour toutes ces raisons, les produits carbonatés seuls ne sont pas utilisés pour faire mousser un laitier four électrique. Comme on l'aura compris, mélanger, conformément à l'invention, un matériau carbonaté, tel que la castine ou la dolomite; au matériau carboné, tel que le charbon, habituellement utilisé pour faire mousser le laitier, permet de diminuer la quantité de charbon ajoutée sans pour autant diminuer l'intensité du moussage. Un autre intérêt est de pouvoir remplacer tout ou partie du charbon par un matériau carboné plus pauvre en carbone mais de coût sensiblement inférieur, tel que les résidus de laveries de charbon. Dans les deux cas, on peut ainsi réaliser une économie-substantielle sur le coût de l'addition de carbone, en raison du bas prix des matériaux carbonatés qui sont ainsi partiellement substitués au carbone. Les proportions respectives dans le mélange des matériaux carbonés et carbonatés seront avantageusement calculées de façon que l'apport calorifique à la charge provoqué par l'oxydation du carbone soit au moins en mesure de compenser le refroidissement occasionné par l'introduction du matériau carbonaté. De cette façon, l'introduction mélange s'effectue sans perte de température de l'ensemble métal-laitier. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante donnée en référence à la figure unique annexée, représentant, en coupe verticale longitudinale scl. matique, un four électrique d'aciérie équipé de lances d' insufflation de matériaux solides et gazeux, permettant la mise en oeuvre de l'invention. Avant de décrire cette installation plus en détail, on rappelle brièvement les principales conséquences bénéfiques de l'immersion de l'arc dans un laitier maintenu à l'état moussant. Ce sont d'abord des avantages économiques gracie à : - une dépense d'énergie électrique moindre, due à l'augmentation du rendement de transfert de chaleur entre l'arc et le métal, - une usure plus faible des parois réfractaires, - un moindre vieillissement des parois refroidies. En outre, la puissance admissible du four, donc sa productivité, peut être augmentée sans affecter le coût des postes précédents. De plus, la possibilité de maintenir un arc électrique d'une grande longueur permet de diminuer la consommation d'électrodes. Par ailleurs, un laitier moussant peut atteindre un volume et une fluidité tels qu'il suffit d'incliner le four et d'ouvrir sa porte de décrassage pour que la plus grande partie du laitier s'écoule d'elle-même hors du four. Les opérations de décrassage qu'il peut être nécessaire- d'eflectuer en cours d'élaboration, par exemple pour éliminer le laitier en fin de fusion chargé en oxydes de phosphore, sont ainsi notablement abrégées. En particulier, le décrassage au rabot peut être supprimé, ou n'intervenir qu'en complément d'un décrassage par moussage dans les cas où une élimination complète du laitier est nécessaire. L'auto-décrassage par moussage du laitier permet donc de réduire les pertes en acier liquide habituellement constatées lors d'un décrassage entièrement effectué au rabot, et d'améliorer les conditions de travail. Sur la figure sont schématisees les parties constitutives essentielles d'un four électrique d'aciérie de configuration classique, à savoir la sole t en matériau réfractaire, les parois 2 et la voûte 3, celle-ci étant traversée par les électrodes 9, 4' et 4" reliées à des moyens de distribution d'électricité non représentés, le bec de coulée 5, la porte de décrassage 6, une goulotte 7 permettant l'introduction dans le four d'éléments d'addition solides, le plancher de travail du personnel 8, et la zone de coulée 9. Le four, représenté ici dans sa position horizontale normale, peut être incliné en direction du plancher de travail 8 pour réaliser une élimination du laitier 10, la porte de décrassage 6 étant alors en position ouverte.A la fin du traitement du métal liquide 11, le four est incliné en direction de la zone de coulée, et le métal s'écoule par le bec de coulée 5 dans un récipient garni de réfractaires appelé poche, non représenté. Les moyens nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention sont constitués par une lance d'insufflation 12 reliée à une source d'oxygène 16, et par une autre lance d'insufflation 13 reliée à un conteneur tel qu'un distributeur de poudre pneumatique 14 renfermant le mélange pulvérulent M à injecter dans le laitier. Sur la figure 1, ces deux lances sont attenantes à un support habituel en forme de trépied 15 et pénètrent dans le four à travers i'orifice de décrassage, la porte 6 étant en position entrtouverte. Pendant les périodes de l'élaboration au cours desquelles la décarburation naturelle du bain ne suffit pas à assurer un moussage suffisant du laitier, la lance12 insuffle de l'oxygène à l'interface métal-laitier de façon à provoquer ou accentuer la décarburation du métal.Les bulles de CO ainsi formées favorisent le moussage du laitier selon le mécanisme exposé précédemment. D'autre part, cet oxygène provoque une oxydation du métal, et ce d'autant plus que la teneur en carbone de ce dernier est plus basse, et les oxydes de fer ainsi formés pénètrent dans le laitier. Simultanément, la lance 13 insuffle à l'intérieur du laitier le mélange matériau carboné - matériau carbonaté précédemment décrit. Comme on l'a vu, ces matériaux vont contribuer au moussage du laitier, le carbone réduisant les oxydes de fer présents dans le laitier (en particulier ceux formés à la suite de l'insufflation d'oxy- gène) et les carbonates se décomposant en dégageant du COa qui, lui-même, se décompose en partie en CO.Il est particulièrement avantageux d' introduire les deux types de matér ux au moyen de la même lance. D'une part, le dégagement gazeux dû à la décomposition des carbonates assure un brassage du laitier dans la zone même où le carbone réagit. Ceci est favorable à l'accomplissement de la réaction et, conjointement à l'éventuelle diminution de la quantité de carbone ajoutée, réduit les risques de réactions tardives et violentes dans le laitier au moment de la coulée en poche.D'autre part1 la baisse locale de température due à l'introduction des matériaux carbonatés est immédiatement compensée par la chaleur dégagée lors de l'oxydation du carbone qui se produit au même endroit: A titré d'exemple, on peut mentionner que, pour la pratique habituelle, dans un four électrique d'aciérie de capacité 80 t, la fusion et l'élaboration d'une charge consomment 450 kWh par tonne d'acier (450 kWh/t) sous forme d'énergie électrique. La quantité de laitier surmontant le bain est d'environ 150 kg/t, dont 45 kg/t de chaux introduits volontairement pour augmenter la basicité du laitier. 8 kg/t de charbon sont introduits dans le four préalablement à la fusion des ferrailles. Un moussage permanent du laitier doit être entretenu après que 250 kWh/t aient été apportés au bain. Ce moussage est assuré par l'introduction fractionnée dans le laitier au moyen d'une lance de 3,5 kg/t de charbon, et par l'insufflation d'un total de 15 Nm3 d'oxygène à l'interface métal-laitier. Le procédé de moussage du laitier selon l'invention peut être mis en oeuvre en substituant à l'injection de 3,5 kg/t de charbon l'injection de 3 kg/t d'un mélange contenant 40 % de matériau carboné (tel que des résidus de laveries de charbon) et 60 % de matériau carbonaté (tel que de la dolomie crue). Une conséquence du procédé de moussage selon l'invention est que la quantité de carbone présente dans le laitier est moindre que dans la pratique habituelle. Dans ces conditions, une part plus importante de l'oxygène insufflé à l'interface métal-laitier contribue à la formation de CO et de FeO au sein du métal. Il est possible de tirer parti de cette situation en augmentant la quantité de charbon introduite dans le four avant la fusion. En procédant de la sorte, on obtient au début de la phase e moussage un métal à plus forte teneur en carbone1 élément dont l'oxydation en CO contribue par la suite à réchauffer le métal plus rapidement qu'un apport équivalent d'énergie électrique. La productivité du four s'en trouve donc augmentée. Dans le cas de l'exemple numérique précédent, on propose d'ajouter non plus 8 kg/t, mais 10 kg/t de charbon avant la fusion des ferrailles. Il va de soi que, sans sortir de l'objet de l'invention, des modifications peuvent être apportées à la mise en oeuvre du procédé tel que décrite et représentée. En particulier, les lances d'insufflation peuvent être introduites non à travers l'orifice de décrassage, mais à travers des orifices quelconques ménagés dans les parois zou la voûte du four. Elles peuvent être supportées par un robot porte-lance. D'autre part, il est envisageable d'ajouter le mélange matériau carboné - matériau carbonaté, non plus au moyen d'une lance, mais par la goulotte 7 réservée à l'introduction des éléments d'addition sous forme de ferro-alliages. De cette façon, les conditions sur l'état physique du mélange seraient moins contraignantes que dans le cas de l'utilisation d'une lance reliée à un distributeur de poudre pneumatique. En revanche, les réactions risquent d'affecter préférentiellement les couches supérieures du laitier, et dans ce cas, le traitement serait moins efficace que si le mélange était introduit par lance directement au sein du laitier. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de l'acier au four électrique selon lequel on forme un laitier moussant au moyen d'une addition dans le laitier d'un matériau contenant du carbone et d'une insufflation d'oxygène au voisinage de l'interface métal-laitier, caractérisé en ce que le matériau carboné est préalablement mélangé à un matériau carbonaté. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits matériaux sont mélangés dans des proportions telles que l'effet endothermique de l'addition du matériau carbonaté sur l'ensemble métal-laitier est compensé par l'effet exothermique de la combustion du carbone contenu dans le matériau carboné. 3. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le mélange matériau carboné - matériau carbonaté est ajouté au sein du laitier sous forme pulvérulente au moyen d'une lance. 4. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau carboné est constitué par du charbon. 5. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau carboné est un produit riche en cendres, obtenu dans les laveries de charbon. 6. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau carbonaté est de la castine. 7. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau carbonaté est de la dolomie.