Brevet FR2644566A1 — publié le 19900921

l 2644566 DESCRIPTION La présente invention se rapporte au traitement de métaux en fusion par un gaz dans les fours électriques à arc du genre comprenant: - une cuve garnie d'un revêtement intérieur en matériau réfractaire, ledit revêtement étant appelé sole, - des parois latérales, - une voûte coiffant l'ouverture supérieure de la cuve à travers laquelle sont ménagés des orifices de passage des électrodes, - un moyen de coulée (bec de coulée ou trou de coulée excentré). Il est usuel d'utiliser un gaz pour assurer l'agitation du métal en fusion. On utilise couramment dans les poches d'acier en fusion des dispositifs d'injection de gaz inerte par le fond. Dans ce cas, l'utilisation de gaz inerte permet une meilleure homogénéisation de l'acier liquide, dans sa composition chimique et en température. De même, dans les convertisseurs à soufflage d'oxygène par le haut, et à soufflage de gaz inerte par le fond, le brassage par gaz est utilisé en particulier pour homogénéiser le métal en fusion et pour accélérer les réactions chimiques entre métal et laitier. La fusion de ferrailles au four électrique à arc présente plusieurs inconvénients qui sont, entre autres, les suivants: - l'énergie fournie par les arcs électriques est absorbée surtout dans la zone des électrodes et dans la partie haute du bain métallique, ce qui provoque une distribution non uniforme de la température du bain métallique. Cette distribution non-uniforme conduit à une augmentation de l'énergie électrique consommée pour fondre l'acier localisé dans les zones les plus froides. - dans le four à arc, le bain d'acier liquide a une faible hauteur et s'étend sur une grande surface ce qui favorise l'obtention d'une composition chimique hétérogène de l'acier liquide. - le soufflage d'oxygène pendant les périodes de fusion ou d'affinage, provoque une suroxydation du fer à la surface du bain métallique, - les réactions chimiques entre métal et laitier se produisent surtout à la surface du bain métallique et ne sont pas favorisés par les faibles mouvements de l'acier liquide. Il est habituellement reconnu que ces inconvénients peuvent être minimisés par le brassage de l'acier par le fond du four à arc. 2 2644566 On connaît plusieurs dispositifs de brassage de l'acier en fusion. Dans un procédé connu, on met en mouvement l'acier liquide dans une poche en introduisant un gaz inerte par le fond au moyen d'un réfractaire poreux. Ce procédé utilise une brique réfractaire ou bouchon poreux ayant la propriété d'être perméable au gaz sous pression mais imperméable au métal en fusion. Le bouchon poreux constitue une partie du garnissage réfractaire de la poche. Il est placé de manière à être recouvert de métal liquide lorsque la poche est remplie. Le brassage est obtenu par injection de gaz à travers le bouchon poreux ou la brique réfractaire. Jusqu'à maintenant, la mise en oeuvre de cette technique au four à arc ne s'est pas développée industriellement car l'espérance de vie (au plus 40 cycles en continu) des bouchons poreux, ou briques réfractaires est insuffisante compte tenu des contraintes d'exploitation du four à arc qui ne permettent pas le remplacement du dispositif d'injection de gaz sans perte de productivité. Dans un autre procédé connu, le convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut, le brassage du métal en fusion avec un gaz inerte est assuré à l'aide d'un dispositif composé d'une masse en réfractaire non poreux présentant des discontinuités locales s'étendant sur toute sa hauteur dans la direction du soufflage gazeux et permettant le passage du gaz. Jusqu'à maintenant, ces dispositifs de brassage de métal en fusion ne se sont pas développés de façon significative au four à arc à cause de contraintes spécifiques au four à arc. En effet, les contraintes thermiques dans le réfractaire de la sole du four à arc sont accentuées par la faible épaisseur de la sole par rapport à un fond de convertisseur. De plus, lorsque la coulée de l'acier liquide s'effectue au travers d'un trou de coulée excentré, il subsiste couramment dans le four, un reste de métal liquide, ou pied de bain, qui occulte le débouché des dispositifs d'injection et n'en permet pas l'inspection. Ces inconvénients sont encore accrus dans le four à arc par l'importance des mouvements de gaz et de métal liquide formant, avec la chute des ferrailles lors des chargements, d'importantes contraintes mécaniques. En outre, il existe une érosion chimique du réfractaire de la sole du four à arc résultant de réactions chimiques entre réfractaire, métal liquide et laitier. Toutes ces raisons font que les techniques de brassage par gaz 3 2644566 inerte du convertisseur n'ont pu être appliquées directement au four à arc. Il existe également une technique de brassage de l'acier liquide au four à arc grâce à un effet électromagnétique. Ce procédé est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif placé sous la cuve du four à arc. Il présente l'inconvénient d'être limité en puissance de brassage et d'être coGteux en investissement. Un autre procédé, décrit dans le brevet GB 2.192.446, permet le brassage de l'acier liquide par le fond du four à arc grâce à un dispositif d'injection comprenant une brique en matériau réfractaire traversée par des petits tubes s'étendant sur toute sa longueur dans la direction du soufflage. Dans ce dispositif, les petits tubes métalliques sont en contact direct avec le métal liquide lors d'un cycle de fusion au four à arc, ce qui ne permet pas d'isoler électriquement l'enceinte métallique du four de la masse de métal en fusion sans l'adjonction d'un système d'isolation électrique particulier au dispositif d'injection. De plus, lorsque le dispositif d'injection est endommage, son remplacement est nécessaire et ne peut se faire que pendant une période d'arrêt du four électrique, ce qui cause une perte de productivité. Un autre procédé, décrit dans le brevet européen 0240998, permet le brassage de l'acier liquide par le fond du four à arc à l'aide de tuyères. Dans ce procédé, il n'est pas possible d'arrêter et de remettre en service le gaz au milieu d'un cycle. La présente invention a pour objet l'amélioration de la technique d'injection de gaz par le fond du four à arc en minimisant les risques de percée de la sole et en permettant, lorsque le dispositif d'injection de gaz est usé, une remise en état rapide des dispositifs, sans obligation de refroidissement de la sole du four et sans perte de productivité. Un autre objectif de cette invention est de permettre une isolation électrique simple et naturelle entre le métal en fusion et la carcasse métallique du four à arc. Ces objectifs sont atteints, selon l'invention, en ce que chaque dispositif d'injection de gaz placé dans la sole du four comprend, un injecteur bas formé d'un bloc compact fait de matériau réfractaire dense et non perméable au gaz, traversé par une pluralités de tubes métalliques creux ou de fentes, ou de canaux, s'étendant sur toute sa hauteur dans la direction de soufflage gazeux et permettant le passage du 4 -2644566 gaz, ledit injecteur bas étant surmonté d'une masse de pisé poreux d'une épaisseur initiale de 50 à 300 mm, ledit pisé poreux étant composé de matériau réfractaire, non fagonné, et formé de grains d'un diamètre maximal de 10 mm, permettant le passage de gaz sous pression après frittage à la chaleur. Le pisé poreux a également la propriété d'être imperméable au métal liquide. Grâce à sa structure composite formée d'un injecteur bas surmonté d'une masse de pisé poreux, on évite que le métal en fusion ne vienne en contact avec les tubes métalliques creux ou les canaux ou les fentes de l'injecteur bas. L'imperméabilité du pisé poreux au métal liquide évite ainsi tout bouchage ou infiltration de métal liquide qui pourrait se produire en cas d'interruption même brève de l'alimentation en gaz de brassage sous pression. De cette manière, l'usure de l'injecteur bas, qu'elle soit d'origine thermique, chimique ou mécanique est supprimée. De plus, la réfection du pisé poreux, peut être effectuée sans problème, sans attendre le refroidissement de la sole du four à arc et en un temps très bref. La section des tubes ou analogue est comprise de préférence entre 0,12 et 500 mm2. Cette réfection est effectuée par application d'une masse de pisé poreux, du même type que le pisé poreux initial, au dessus de l'injecteur bas. Cette masse de pisé poreux permet, après frittage à la chaleur sans passage de gaz, le passage de gaz sous pression jusqu'au débit désiré. En général, la pression d'alimentation du dispositif d'injection est comprise entre I et 10 bars. En outre, lorsque le brassage continu -n'est pas nécessaire, on peut stopper l'injection de gaz, ce qui peut représenter une amélioration du point de vue économique et surtout un facteur de sécurité déterminant en cas d'arrêt intempestif de l'alimentation en gaz. Selon une forme de réalisation, l'injecteur bas, faisant corps latéralement avec le réfractaire de la sole s'étend à distance en dessous de la face interne de la sole et est en contact avec une masse de pisé poreux s'étendant jusqu'au niveau interne de la paroi de sole. L'invention a également pour objet un procédé de fusion de ferrailles mettant en oeuvre une injection de gaz inerte dans le métal en fusion contenu dans une sole de four électrique à arc, à l'aide d'au moins un dispositif d'injection de gaz inerte, caractérisé en ce que le gaz est envoyé dans le métal en fusion en passant d'abord par un injecteur bas implanté dans le réfractaire de la sole, puis au travers 2644566 d'une couche de pisé poreux d'épaisseur initiale-entre 50 et 300 mm, composé de matériau réfractaire non façonné formé de grains d'un diamètre maximum de 10 mm et permettant le passage de gaz sous une pression d'alimentation d'au plus 10 bars à un débit d'au moins 20 Nm3/h après frittage à la chaleur. Le gaz inerte peut 8tre de l'argon et/ou de l'azote, et/ou du dioxyde de carbone et/ou de l'hélium. Les caractéristiques et avantages ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, en référence aux figures annexées. La figure 1, décrit un four électrique à arc de fusion de ferrailles comprenant: - une cuve (7) garnie d'un revêtement intérieur en matériau réfractaire (8), ledit revêtement étant appelé sole (5), - des patois latérales (1), - une voûte (2) coiffant l'ouverture supérieure de la cuve (7), à travers laquelle sont ménagés des orifices de passage des électrodes (3), - un trou de coulée encentrée (9) qui peut être remplacé par un bec de coulée. La sole (5) du four est équipée d'un ou de plusieurs dispositifs d'injection de gaz de brassage (10). Chaque dispositif d'injection (10) est positionné de manière à augmenter l'efficacité du brassage. La figure 2 décrit un des dispositifs d'injection (10) de la figure 1. Le dispositif de brassage est constitué d'un injecteur bas (11) formé d'un bloc compact fait de matériau réfractaire dense (12) et non perméable au gaz, traversé par une pluralité de tubes métalliques creux ou de fentes, ou de canaux (30), s'étendant sur toute sa hauteur et permettant le passage du gaz, ledit injecteur bas (11) étant surmonté d'une masse de pisé poreux (13) d'une épaisseur initiale de 50 à 300 mm, ledit pisé poreux (13) étant composé de matériau réfractaire non façonné, et formé de grains d'un diamètre maximal de 10 mm de façon à obtenir une perméabilité comprise entre 100 et 300 nanoperm après frittage à la chaleur. La porosité de la masse de pisé poreux est telle qu'après frittage à la chaleur il est possible d'injecter un gaz jusqu'au débit de 20 Nm3/h avec une pression d'alimentation n'excédant pas 10 bars. La hauteur de l'injecteur bas (11) est inférieure à l'épaisseur de la paroi de sole. 6 -2644566 L'injecteur bas (11) s'étend à distance en dessous de la face interne (14) de la sole (5) et est en contact avec la masse de pisé poreux (13) s'étendant jusqu'au niveau interne de la sole (5). Selon cette forme de réalisation, l'injecteur bas fait corps latéralement avec le réfractaire de la sole (5). L'injecteur bas (11) composant la partie inférieure du dispositif d'injection peut se présenter sous plusieurs formes de réalisation. Les figures 3,4 et 5 décrivent différents types d'injecteurs bas (11) pouvant composer la partie basse du dispositif d'injection (10). La figure 3 décrit un injecteur bas (11) constitué d'un assemblage de plaques verticales en matériau réfractaire dense et non poreux (15), séparées par des fentes d'épaisseur 0,1 à lmm (16) permettant le passage de gaz sous pression dans la direction de soufflage. Selon une autre version d'injecteur bas (11), les plaques en matériau réfractaire présentent, sur leur grande face, des cannelures superficielles, qui forment, une fois les plaques assemblées, des canaux rectilignes permettant le passage de gaz sous pression dans la direction de soufflage. L'injecteur bas (I1) comporte dans les deux cas précités, une enveloppe métallique (fi7) qui forme une enceinte étanche au gaz et assure le maintient des différentes pièces. La figure 4 décrit une variante d'injecteur bas (11) constitué d'un bloc compact fait de matériau réfractaire dense, non poreux (18), de section appropriée, dans lequel ont été ménages une pluralité de fins canaux (19) (entre 4 et 50) d'un diamètre compris entre 0,5 et 3 mm, dans le sens de l'écoulement du gaz. Dans cette variante, une chemise métallique forme une enceinte étanche au gaz. La figure 5 décrit une autre variante d'injecteur bas (11): cet injecteur bas (11) est constitué d'un bloc de matériau réfractaire dense et non poreux (20), de section appropriée, traversé, sur toute sa hauteur, dans le sens d'écoulement du gaz par au moins un et au plus 50 tubes métalliques (21) creux de section intérieure comprise entre 0,12 mm2 et 500 mm2. Selon cette variante, les tubes métalliques creux (21) sont raccordés à leur extrémité inférieure à des ouvertures d'une boite distributrice de gaz (22) équipée centralement d'un tube d'alimentation (23) en gaz de brassage. Le cas échéant, l'injecteur bas (11) de la figure 5 peut comporter une enveloppe métallique formant une enceinte 7 2644566 autour de l'injecteur bas (11) ladite enceinte s'étendant sur toute ou partie de la longueur de l'injecteur bas (11) dans la direction de soufflage. La figure 6 représente une variante du dispositif d'injection (10) décrit dans la figure 2. Selon cette variante, l'injecteur bas (11) s'étend axialement sur toute l'épaisseur de la sole (5) et fait corps latéralement avec le réfractaire (8) de la sole (5). Selon cette variante, l'injecteur bas débouche au niveau de la paroi interne de la sole (24) et la masse de pisé poreux (25) recouvre une partie de la paroi interne (24) de la sole (5) et la totalité de la face supérieure de l'injecteur bas (11). Exemple de réalisation Cet exemple de réalisation est décrit à l'aide de la figure 7 qui représente une combinaison des figures 2 et 5. Dans cet exemple, l'injecteur bas (11) comprenant un bloc de réfractaire dense et non poreux (26) composé essentiellement de magnésie (MgO) et de carbone, est traversé par 30 tubes métalliques creux de section circulaire, en acier, de diamètre intérieur 1 mm (27) s'étendant sur toute la longueur du bloc réfractaire.L'injecteur bas (11) est surmonté d'une masse de pisé poreux (28) d'épaisseur initiale 200 mm. Cette épaisseur est calculée de manière à ce que la face supérieure 29 de la masse de pisé poreux soit au même niveau que la face interne (30) de la sole. Le pisé poreux est un pisé de damage à sec composé de matériau réfractaire non façonné i base de magnésie frittée dont la composition et la taille de grains sont indiquées dans la table ci-dessous. La densité en vrac du pisé poreux est de 2,2 kg/dm3. Pour la mise en oeuvre du dispositif d'injection, l'injecteur bas est positionné en premier dans la sole du four, puis le pisé poreux, sous forme granuleuse sans liant, est appliqué par damage i sec au dessus de l'injecteur bas dans un puits ménagé à cet effet dans la sole du four au dessus de l'injecteur bas. La densité apparente de la couche damée de pisé poreux après séchage à 200 C est d'environ 2,6 kg/dm3. La porosité de la masse de pisé poreux est telle que lorsqu'on alimente l'injecteur bas avec une pression d'au plus bars, le débit de gaz traversant la masse de pisé poreux est d'au moins 20 Nm3/h. D'une manière générale, la composition chimique du pisé poreux, à base de magnésie frittée, peut être résumée de la manière suivante: 8 2644566 Domaine général Domaine particulier Exemple de réalisation Mg0 % en poids 50 à 90 70 à 80 76 A1203 Z en poids 0 à 5 0 à 1 0,5 Fe203 % en poids 2 à 7 3 à 6 5 CaO % en poids 5 à 20 15 à 20 17,5 SiOz % en poids 0 à 2 0 à 1 0,6 dimension des grains (en mm) O à 10 mm 0 à 8 mm O à 5 mm La perméabiité de la couche réfractaire, comprise entre 100 et 300 Namoperm est obtenue par une granulation particulière du pisé poreux. Selon un mode préférentiel de réalisation, les tailles de grains seront réparties de la manière suivante: O à 0,5 mm: environ 30 % en poids 0,5 mm à 2 mm environ 30 Z en poids 2 mm à 5 mm: environ 40 X en poids Selon une autre forme de réalisation, -la couche protectrice est faite d'un pisé composé de matériau réfractaire, de préférence à base de magnésie frittée, lié au goudron et/ou au brai et/ou à la résine synthétique. Ce pisé offre une meilleure adhérence de la couche. Lors de la mise en oeuvre, le goudron ou le brai ou la résine synthétique sont consumés par le feu laissant des canaux fins par lesquels le gaz peut passer. 9 2644566 Revendications 1 Four électrique à arc de fusion de ferrailles, du genre comprenant, une cuve garnie d'un revêtement intérieur en matériau réfractaire appelé sole du four, des parois latérales, une voûte coiffant l'ouverture supérieure de la cuve, à travers laquelle sont ménagés des orifices de passage des électrodes, un bec de coulée ou trou de coulée excentré, caractérisé en ce que la sole est équipée d'au moins un dispositif d'injection de gaz en vue de brasser le métal en fusion, ledit dispositif d'injection comportant un injecteur bas formé d'un bloc compact fait de réfractaire dense et non poreux traversé par un ou une pluralité, de préférences inférieure à cinquante, de tubes métalliques creux, ou fentes, ou canaux, s'étendant sur toute sa hauteur dans la direction du soufflage gazeux et permettant le passage de gaz, ledit injecteur bas étant surmonté d'une masse de pisé poreux d'une épaisseur initiale de 50 à 300 mm, composé de matériau réfractaire non faconné sous forme de grains d'un diamètre maximal de 10 mm, la granulométrie du pisé poreux étant telle que la masse de pisé poreux a une perméabilité comprise entre 100 et 300 Namoperm après frittage à la chaleur. 2 Four électrique selon la revendication 1, tel que la perméabilité de la masse de pisé poreux permet un débit d'au moins 20 Nm'/h par dispositif d'injection sous une pression d'alimentation d'au plus 10 bars. 3 Four électrique selon la revendication 1, tel que le nombre de dispositif d'injection est d'au moins un et d'au plus six. 4 Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pisé poreux est un pisé de damage à sec, de préférence libre de liant, contenant 50 à 90 Z en poids de magnésie MgO, 5 à 20 Z en poids de chaux CaO, O à 5 Z en poids d'alumine AL203, 0 à 2 Z en poids de silice SiO2, 2 à 7 % en poids d'oxyde de fer Fe203. Four électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pisé contient 70 à 80 Z en poids de magnésie MgO, 15 à 20 % en poids de chaux CaO, O à 1 % en poids d'alumine A1203, 0 à 1 % en poids de silice SiO2, 3 à 6 % en poids d'oxyde de fer Fe203. 2644566 6 Four électrique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le pisé poreux a des tailles de grains réparties de la manière suivante: O à 0,5 mm: environ 30 Z en poids, 0,5 à 2 mm: environ 30 % en poids, 2 à 5 mm: environ 40 % en poids. 7 Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pisé est composé d'au moins un matériau réfractaire, de préférence à base de magnésie frittée, et d'un liant constitué essentiellement de goudron et/ou de brai et/ou de résine synthétique. 8 Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur bas s'étend a distance en dessous de la face interne de la sole. 9 Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur bas s'étend substantiellement jusqu'au niveau de la face interne de la sole en regard de la nappe de recouvrement en pisé poreux débordant largement sur la paroi interne de la sole. Four électrique selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que l'injecteur bas est constitué d'un assemblage de plaques verticales en réfractaire dense, non poreux, séparées par des fentes d'épaisseur 0,1 à 1 mm permettant le passage de gaz sous pression, ledit injecteur bas étant entouré d'une enveloppe métallique étanche au gaz. 11 Four électrique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'injecteur bas est constitué d'un bloc compact fait de matériau réfractaire dense et non poreux traversé sur toute sa hauteur dans la direction de soufflage par au moins un et au plus 50 tubes métalliques creux, de section comprise entre 0,12 mm2 et 500 mm2. 12 Four électrique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'injecteur bas est constitué d'un bloc compact fait de matériau réfractaire dense et non poreux, dans lequel ont été ménagés entre 4 et 50 fins canaux de diamètre compris entre 0,5 et 3 mm, dans la direction de soufflage. 13 Four électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'injecteur bas fait corps latéralement avec le réfractaire de la sole. 11h 2644566 14 Procédé de fusion de ferraies mettant en oeuvre une injection de gaz inerte dans le métal en fusion contenu dans une sole de four électrique à arc, à l'aide d'au moins un dispositif d'injection de gaz inerte, caractérisé en ce que le gaz est envoyé dans le métal en fusion en passant d'abord par un injecteur bas implanté dans le réfractaire de la sole, puis au travers d'une couche de pisé poreux d'épaisseur initiale entre 50 et 300 mm, composé de matériau réfractaire non façonné formé de grains d'un diamètre maximum de 10 mm et permettant le passage de gaz sous une pression d'alimentation d'au plus 10 bars à un débit d'au moins 20 Nms/h après frittage à la chaleur. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que le gaz inerte est choisi parmi l'argon et/ou l'azote et/ou le dioxyde de carbone et/ou l'hélium, seuls ou en mélange. 16 Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que lorsque la masse de pisé poreux est usée, une réparation du dispositif d'injection est réalisée par application de pisé poreux au dessus du dispositif d'injection, sans arrêt du four électrique et sans laisser refroidir la sole du four. 17 Procédé selon la revendication 14, caractérisé par une absence de contact d'une partie métallique du dispositif d'injection, avec le métal liquide, lors de la marche normale du four électrique à arc. 18 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on stoppe et redémarre l'injection de gaz à travers les dispositifs d'injection pour brasser le métal en fusion, à tout moment pendant la marche normale du four, sans boucher ni endommager les dispositifs d'injection de gaz. 19 Application du four selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 et/ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 18 à la fusion d'acier.