Brevet FR2663723A1 — publié le 19911227

La présente invention concerne la fusion d'une charge en four, notamnent mais non exclusivement en four électrique de fusion des ferrailles pour la production d'acier selon laquelle l'apport énergétique est essentiellenment assuré par le rayonnement d'un arc électrique très grande intensité s'établissant entre des électrodes de graphite et la charge, le reste de l'énergie provenant de l'oxydation du carbone de la charge et/ou des électrodes et/ou de carbone ajouté et/ou d'autres éléments (Si, 1 n), ainsi que de l'énergie fossile apportée en fusion par les brûleurs oxycoebustibles. Cn a constaté que l'énergie contenue dans les fumées, et qui n'est généralement pas utilisée, peut dépasser le tiers de l'énergie électrique consammée Elle se compose de 20 % de chaleur sensible et de % d'énergie potentielle de coïrbustion ou d'oxydation des éléments CO et H 2 présents C'est la raison pour laquelle on a tenté d'assurer une post-combustion ou conbustion secondaire, qui est une réaction d'oxydation par l'oxygène de Co en CO 2, et par extension celle de H 2 en H 20, dont l'objet est un transfert maximal de l'énergie des fumées vers la charge mrétallique. A l'heure actuelle, l'injection d'oxygène pour la post-conbustion des fumées est utilisée industriellement dans plusieurs procédés de conversion (K-C(u, K-Be CP, LKS-BI, LBE-ALCI) et son étude a permis de mettre en valeur trois paramètres principaux pour améliorer la post- combustion, à savoir: une répartition la plus homogène possible du gaz oxygéné avec les fumées; une augmentation de la durée d'échange entre le gaz oxygéné et les gaz de comrbustion, un brassage du bain. Le seul procédé industriel mettant en oeuvre la post-combustion dans un four électrique est le procédé KES décrit dans le document EP-A 0 257 450 mettant en oeuvre un brassage du bain ainsi qu'une injection d'un gaz oxygéné par des injecteurs fixes situés dans le haut du four, dirigés vers le bas et tangentiellement dans l'espace entre les électrodes et le mur du four, de telle manière que leur axe long soit placé tangentiellement à un cylindre de diamètre égal à 0,5-0,8 fois le diamètre intérieur du four et qu'il soit dirigé vers le bas avec un angle de 30 à 60 par rapport à l'horizontale. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé d'injection de gaz oxygéné favorisant, pour la post-combustion, la répartition de l'oxygène avec les gaz de comrbustion, ainsi que l'augmentation de la durée d'échange entre le gaz oxygéné et les gaz de combustion, notamment CO et H 2 s'échappant de la charge, pour assurer un transfert maximal de l'énergie formée vers la charge métallique. Ces objectifs de l'invention sont atteints par la mise en oeuvre d'une ou plusieurs des mesures suivantes: on agence de tels jets de gaz oxygéné à ctomposante tangentielle substantielle selon une direction d'injection horizontale, le cas échéant inclinée vers le bas d'un angle de O à 30 degrés de façon former un courant de gaz rotatif autour de l'axe vertical du four; on agence plusieurs séries de tels jets de gaz oxygéné selon plusieurs niveaux étagés de façon à formner plusieurs courants de gaz rotatifs autour de l'axe vertical de four; les jets de gaz oxygéné d'une série étagée de jets sont orientés de façon à former un courant rotatif de sens opposé au sens rotatif de la série étagée à un niveau imrmédiatement voisin; les jets de gaz oxygéné d'une série étagée de jets subissent des variations cycliques de débit de gaz oxygèné; les variations cycliques de débits de gaz oxygéné d'une série de jets sont synchronisés entre eux; les variations cycliques de débit de gaz oxygéné d'une série de jets sont déphasées entre eux; les variations de débits sont de type pulsé entre un débit mininlm et un débit maximal; les variations de débit cycliques de gaz oxygéné d'une série étagée de jets s'effectuent à la même fréquence que les variations de débit cycliques de gaz oxygéné de la série étagée de jets qui lui est imnédiatement voisine; les variations cycliques de séries de jets étagés de jets de plusieurs séries étagées de jets s'effectuent en synchronisme. De la sorte, on assure une turbulence plus ou moins prononcée du gaz oxygéné avec les produits gazeux issus de la charge, que l'on peut régler à une valeur optimale correspondant à une réaction de post-combustion la plus complète possible. L'invention concerne également une installation mettant en oeuvre un tel procédé. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, d'une installation de fusion du type four électrique, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un four électrique; la figure 2 est une vue en coupe horizontale de ce même four. En se référant aux figures annexées, un four électrique 1 présente une sole 2, une paroi latérale 3 avec une porte dite de décrassage 4 et un bec de coulée du produit de fusion 5, ainsi qu'une voûte 6 formant également support de trois électrodes 7, 8, 9 également répartis autour d'un axe vertical XY. Le four 1 est équipé de deux séries étagées de trois injecteurs de gaz oxygéné, respectivement lia, 11 b, 11 c, et 12 a, 12 b, 12 c, la première série d'injecteurs lia, llb, lic étant située à un niveau N 1 voisin de la moitié de la hauteur Fi entre le point le plus bas 2 ' de la sole 2 et le point le plus haut 6 ' de la voûte 6, alors que la seconde série étagée d'injecteurs 12 a, 12 b, 12 c est située à un niveau N qui est environ les 3/4 de cette même hauteur Les injecteurs (lia, 11 b, lic d'une part, 12 a, 12 b, 12 c d'autre part) sont donc situés dans deux plans horizontaux étagés, dont le dénivelé est de l'ordre du quart de la hauteur maximale de voûte H Chaque injecteur est orienté de façon à présenter une large composante tangentielle et une couposante radiale centripète Les débouchés lia, 11 b, lic de la série inférieure d'injecteurs au niveau N 1 = H/2 sont tous orientés, en vue de dessus, dans le sens des aiguilles d'une montre, de façon à former un courant inférieur de gaz à circulation rotative F 1 dans le sens des aiguilles d'une montre Les débouchés des injecteurs 12 a, 12 b, 12 c de la série supérieure d'injecteurs au niveau N 2 = 3 H/4 sont tous orientés, en vue de dessus, dans le sens opposé au sens des aiguilles d'une montre de façon à fonrer un courant supérieur de gaz à circulation rotative F 2 dans le sens opposé au sens des aiguilles d'une montre. Les injecteurs d'un même niveau ( 11 a, 11 b, lic au niveau N 1) ( 12 a, 12 b, 12 c au niveau N 2) sont alimentés par des conduites 13 a, 13 b, 13 c dérivées d'une conduite principale 13, d'une part, par des conduites 14 a, 14 b, 14 c dérivées d'une autre conduite 14 d'autre part de façon à permettre des différence entre les variations de débit de la série d'injecteurs lia, 11 b, liec au niveau N 1 par rapport à la série d'injecteurs 12 a, 12 b, 12 c au niveau N 2. Le procédé et l'installation décrits peuvent être appliqués non seulement dans un four électrique pour la production d'acier mais également pour la production de ferro-alliages, dans tout récipient de fusion ou d'affinage pour la production d'alliages métalliques et plus généralement dans tout récipient contenant une masse liquide à haute terpérature émettant des gaz non totalement brûlés (métallurgie, verrerie, cimenterie). REENDICATIOES 1 Procédé de fusion d'une charge en four, avec post-combustion des fumées par injection d'un gaz oxygéné dans l'atmosphère de four sous forme d'une série de jets s'écoulant selon une composante tangentielle substantielle dans l'espace entre électrodes et paroi cylindrique de four, caractérisé en ce qu'on agence de tels jets à ccaposante tangentielle substantielle selon une direction d'injection, le cas échéant inclinée vers le bas de façon à former un courant de gaz rotatif autour de l'axe vertical du four. 2 Procédé de fusion d'une charge en four, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on agence plusieurs séries de tels jets selon plusieurs niveaux étagés de façon à fomrer plusieurs courants de gaz rotatifs autour de l'axe vertical de four. 3 Procédé de fusion d'une charge en four, selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jets d'une série étagée de jets sont orientés de façon à former un courant rotatif de sens opposé au sens rotatif d'une autre série étagée de jets. 4 Procédé de fusion d'une charge en four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de jets d'une série étagée de jets est compris entre un et huit. 5 Procédé de fusion d'une charge en four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les jets d'une série étagée de jets subissent des variations cycliques de débit de gaz oxygèné. 6 Procédé de fusion d'une charge en four selon la revendication 5, caractérisé en ce que les variations cycliques de débits de gaz oxygéné d'une série de jets sont synchronisés. 7 Procédé de fusion d'une charge en four selon la revendication 5, caractérisé en ce que les variations cycliques de débit de gaz oxygéné d'une série de jets sont déphasées. 8 Procédé de fusion d'une charge en four selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les variations de débits sont de type pulsé entre un débit mininxm et un débit maximal. 9 Procédé de fusion d'une charge en four selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les variations de débit cycliques de gaz oxygéné d'une série étagée de jets s'effectuent à la m e fréquence que les variations de débit cycliques de gaz oxygéné de la série étagée de jets qui lui est inn-diatement voisine. Procédé de fusion d'une charge en four selon la revendication 9, caractérisé en ce que les variations cycliques de séries de jets étagés s'effectuent en synchronisme. 11 Four de fusion d'une charge, du genre comprenant mune voûte surplombant par une paroi latérale cylindrique une sole de four, avec des injecteurs de gaz au niveau de la paroi cylindrique, orientés avec une composante tangentielle autour de l'axe vertical de four, caractérisé en ce que les dits injecteurs sont agencés à extension substantiellement horizontale, le cas échéant inclinée vers le bas de O à 30 degrés. 12 Four de fusion d'une charge selon la revendication 11, caractérisé en ce que les injecteurs sont agencés en plusieurs séries d'injecteurs disposés à des niveaux différents. 13 Four de fusion d'une charge selon la revendication 12, caractérisé en ce que les injecteurs d'une série étagée d'injecteurs débouchent le long d'un cercle selon le sens des aiguilles d'une montre. 14 Four de fusion d'une charge selon la revendication 12, caractérisé en ce que les injecteurs d'une série étagée d'injecteurs débouchent le long d'un cercle selon le sens inverse des aiguilles d'une montre. Four de fusion d'une charge selon l'une quelconque des ,u e revendications 11 à 14, caractérisé en ce que les injecteurs d'une série étagée d'injecteurs sont raccordés à une conduite d'alimentation avec autant de conduites d'alimentation qu'il y a de séries étagées d'injecteurs.