Brevet FR2671611A1 — publié le 19920717

L'invention concerne un procédé de régulation de l'injection d'oxygène dans un four à arc électrique de production d'acier à partir i de ferrailles, fonte, minerai, du genrenà voûte avec un conduit coudé d'évacuation des furées et adaptée à être dégagée de la cuve de four par un déplacement incorporant une rotation autour d'un axe vertical, ledit conduit coudé se présentant en période opératoire du four en regard et à faible distance d'un conduit de transfert des fumées vers une chambre de combustion. Dans ce genre d'application, l'apport énergétique est essen- tiellement assuré par le rayonnement d'un arc électrique à très grande intensité qui s'établit entre des électrodes de graphite et la charge métallique, le restant de l'énergie provenant de l'oxydation du carbone de la charge, des électrodes ou du carbone ajouté ainsi que d'autres éléments tels que le silicium et le manganèse et de l'énergie fossile injectée au moyen de brûleurs oxy-combustibles C On a constaté que l'énergie contenue dans les fumées produites qui généralement n'est pas utilisé, peut atteindre et même dépasser le tiers de l'énergie électrique consnommée Ces ftrnuées se composent d'environ 20 % de chaleur sensible et de 80 % d'énergie potentielle de combustion ou d'oxydation de monoxyde de carbone et d'hydrogène qui sont générés dans le four. Cn a pu ainsi établir que les teneurs des fumées étaient dans les plages de concentration suivantes: d: O à 40 % CD 2 O à 40 % H 2:0 à 30 % N 2: 20 à 80 % 02: à 21 % Ces fumées, dont la tenmpérature peut atteindre 1500 e C, contien- nent également jusqu'à 250 g de poussières par Nn 3, 95 % de ces pous- sières ayant une granulométrie inférieure à 5 microns La quantité moyenne des fumées en période de fusion est de l'ordre de 100 Nn 3 par tonne et dépend des caractéristiques du four Pour des raisons de sécurité et de protection de l'environnement, il convient de procéder à une post-corrbustion des fumées dans une chambre de cormbustion avant de les rejeter à l'extérieur, et il est évident qu'on a intérêt à ce que cette conbustion finale soit aussi faible que possible en faisant en sorte que les teneurs en éléments Od et H 2 soient aussi réduites que possible A cet effet, on a proposé d'effectuer un prélèvement des fumées et une prise de température sur le courant de fumées, une i mesure du débit des fumées, une analyse ae la cormposition des fumées et un réglage corrélatif du débit de gaz oxygéné injecté dans le four afin d'assurer une combustion plus poussée du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Dans les propositions qui ont été faites et expérimentées, le prélèvement des furées et la prise de température sont généralement réalisés au travers de la voûte ou dans le coude d'extraction des fumées et l'on a constaté que cette façon de faire était peu satisfaisante, car elle sourmettait une canne de prélèvement des fumées à d'importantes projections de laitier ou de métal qui ont tendance û obturer rapidement son extrémité, rendant ainsi indispensable un renouvellement extrêmement fréquent de cette carmnne En outre, le fait que la voûte soit déplacée en tout cas lors d'un charger ent coarlique sérieusement les liaisons entre les capteurs de fumées et de température et les analyseurs C'est la raison pour laquelle on a été conduit à placer les capteurs, que ce soit la canne de prélèvement des fumées ou la prise de température, dans le conduit de transfert des funmes vers la chambre de corbustion, ce qui évitait bien sûr les inconvénients mentionnés précédemnent, rnais rendait les mesures tout à fait aléatoires car l'analyse que l'on faisait des ftmées n'était pas représentative des teneurs réelles en monoxyde de carbone et en hydrogène au niveau du four de fusion proprement dit, ni de la température effective, ni du débit des fumées, du fait d'importantes entrées d'air extérieur au niveau de transition entre conduit coudé d'extraction des fumées et conduit de transfert vers la chambre de combustion. L'objectif de la présente invention est de proposer dans ce genre de procédé, une technique de prélèvement des fuiées qui soit tout à fait représentative des fumées présentes dans le four et cela bien entendu avant toute combustion ultérieure des éléments oxydables et sans être en aucune façon perturbée par des projections de métal ou de laitier et par les déplacerments de la voûte de four, et cet objectif de l'invention est atteint en ce qu'on assure le prélèvement des funmées dans l'espace intersticiel libre entre les extrémités du conduit coudé d'évacuation des fumées et du conduit de transfert des fumées vers la chambre de combustion De la sorte, on se situe en un enplacement cui évite à la fois l'inconvénient des projections indésirables sur le i débouché de la canne de prélèvement rd'une part et d'autre part l'influence indésirable des entrées d'air au niveau de l'espace intersticiel De préférence et de façon-à réduire au strict minimum cet effet indésirable des entrées d'air sur l'analyse des fumées, on effectue le prélèvement au voisinage d'une partie centrale de l'espace intersticiel et de préférence le plus près possible du débouché du conduit coudé d'extraction des fumées. Selon une fomnne préférentielle de mise en oeuvre, on effectue le prélèvement des fumées par aspiration & contre-courant du sens de circulation des fumées, de façon à diminuer substantiellenent le taux de poussières aspirées et d'allonger ainsi la durée de vie de la canne de prélèvement par le fait que son débouché de prélèvement des fumées arrive à se colmater seulement après un nombre d'opérations de fusion nettement plus élevé. L'invention concerne également une installation de production d'acier à partir de ferrailles, fonte, minerai, du genre comportant un four à arc électrique à voûte avec un conduit coudé d'évacuation des funmées et adaptée à être dégagée de la cuve du four par un déplacement incorporant une rotation autour d'un axe vertical, ledit conduit coudé se présentant en période opératoire du four en regard et à faible distance d'un conduit fixe de transfert des fumées vers une chantbre de combustion, ladite installation coaportant des moyens de régulation de l'injection d'un gaz oxygéné dans ledit four comprenant un dispositif de prélèvement de fumées au niveau du conduit coudé d'extraction des fumées, des moyens d'analyse de la ecomposition des fumées ainsi prélevées et des moyens de réglage du débit de gaz oxygéné injecté dans le four afin d'assurer une combustion plus poussée du monoxyde de carbone et de l'hydrogène et cette installation se caractérise par un dispositif de prélèvement des fumées qui est agencé dans l'espace intersticiel entre les extrémités libres du conduit coudé d'évacuation des fumées et du conduit de transfert des fumées vers la chanbre de coambustion. Selon une formnne de mise en oeuvre, le dispositif de prélèvement des fumées est monté sur un manchon monté à coulissement le long du conduit de transfert des fumées vers la chanbre de combustion, avec une course au moins égale à celle de la distance intersticielle entre le conduit coudé d'extraction des fumées et la partie fixe du conduit de À transfert des fumées Ce dispositif présente une canne de prélèverent des fumées avec une partie terminale orientée vers le conduit de transfert des fumées et de préférence -cette carnne est associée > un conduit de refroidisssement à eau. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale de l'agencement des conduits extracteurs des fumées du four et du ccnduit de transfert des fumées et du dispositif de prélèvement des funées; la figure 2 est une vue de dessus d'Un four à arc avec la voûte en position fertrée et ouverte; - la figure 3 est une vue en coupe de la cane,de préiverment des fumées la figure 4 est une vue en coupe axiale du nontage d'une carrne (de prélèvement de fumées saris refroidissemrent les figures 5 et G sont deu: Tues sct-énatiques conplànrentaires 'urne installation de régulation; En se référant aux figures 1 et 2, un four à arc 1 présente une cuve 2 surmontée d'une voûte 3, qui porte trois électrcdes 4 et un conduit coudé d'extraction des funées 5, ladite voûte 3 étant montée à déplacement d'ouverture-fermneture autour d'un axe vertical 6 pour l'amener de la position de fenreture représentée en 3 à la position d'ouverture représentée en 3 ' Dans la positien de fermeture, le débouché du conduit d'extraction des fumées 5 se présente en regard et à faible distance d'un conduit de transfert des funées 11 qui aboutit une chambre de ccrbustion non représentée, Dne partie fixe ce ce conduit 11 étant refroidie par un serpentin à eau 12 tardis cu'ur; manchon mobile 13 coulissant librement à l'intérieur du conduit ft est lui-mme équipé d'un serpentin de refroidissemrent 14 Sur le rnancon 13 est fixé de façon démontable le dispositif de prélèvement des Cun îes i 5 qui coiporte essentiellement une canrne de prélèvement des fur(es t X associée à un conduit de circulation d'eau de refroidissement admis eri 17 et évacué en 18 Par des moyens non décrits cnr règle la tosit iocn axiale du rrmanchon 13 à l'intérieur de la partie il du ccrduit de transfert des fumées et la positicn de la carre e p:é; 1 &,ener t des furées 16 de façon que le débouché 20 de la canne de prévc-iment des furées 16 se situe substantiellement dans une zone centrale du courant de circulation des fumées c'est-à-dire en fait dans une zone axiale du manchon 13 et le plus près de l'extrémité 21 du conduit d'extraction des fumées 5 De la sorte, la canne cde prélèvement des fumées 16 opère exclusivement sur le courant des fumées issues directement du conduit coudé d'extraction des fumées sans tenir compte des entrées d'air qui peuvent intervenir en aval dans l'espace intersticiel résiduel entre l'extrémité 21 du conduit coudé d'extraction des fumées et le débouché du manchon 13. En se reportant maintenant 8 la figure 3, on voit que la carme d'extraction des funees 16 se coapose essentiellement d'un tube extracteur 31 placé axialement dans N rrmanchon ferme 32, qu'elle traverse par tun joint de dilatation 33 Le manchon * 32 est équipé v ses deux extrémités de deux embouts 34, 35 qui sont raccordés au tube d'admission 17 et d'évacuation d'eau 18, alors que la tubulure de prélèvement des fumées est raccordée à une conduite 37 vers le dispositif d'analyse et de régulation Ainsi qu'on le remarque, e conduit de prélèvenent des fumées 31 présente une partie termirale recourbée 36 qui débouche en 20 dans un plan qui est perpendiculaire à20 la direction d'écoulemrent des fumées selon la flèche F' Grâce à cette disposition, on limite l'entraînement des poussières véhiculées par les fumées. La figure 4 concerne une canne de prélèvement des fumées qui n'est pas refroidie et de ce fait est réalisée en matériau réfractaire. Cette carmnne est utilisée avantageusement pour la mesure de la teneur en eau de ces fumées (voir figure 6), mais elle pourrait elle-mr me renplir le rôle de la canne refroidie décrite à la figure 3 et se substituer purement et sirmplement à celle-ci On voit que la canne de prélèvement des fumées 16 est montée de façon amovible sur le manchon 13 et È cet 30 effet la carmnne de prélèverment des fumées 16 est montée dans un support cylindrique 41 auquel elle est solidarisée par un écrou de blocage 42, ce support 41 portant lui-même un bras 43 bloqué dans un second support 44 fixé par soudage au manchon 13, le bras support 43 étant iui-meme maintenu en position par un écrou de blocage 45. Selon la figure 5, on voit qu'un four 1 est ici équipé d'une voûte 3 à électrodes 4 et d'un conduit coudé d'èvacuation des frumées 5. Le four est lui-meme pourvu d'une lance d'injection d'oxygène 51 et d'un brûleur oxy-coanbustible 52 La canié de prélèvaement des funées 16 est ici raccordée par une tubulure 37 à un condenseur d'eau 53 puis à un double jeu de filtres, 54, 54 ' pour l'arrêt des poussières, 55, 55 ' pour la -dessiccation complète des fuménes, la sortie de ce filtre débouchant dans un système de pompage 56 dont le refoulement aboutit t deux conduits distincts 57 et 58 Le conduit 57, qui véhicule une partie des fumées, aboutit à un analyseur de monoxyde de carbone 59 suivi d'un analyseur de gaz carbonique 60, l'un et l'autre étant étalonnés par des gaz azote, monoxyde de carbone et gaz carbonique admis par la conduite 61 Le second conduit 58 aboutit à un analyseur d'hydrogène 63 étalonné par un gaz hydrogéné admis par une conduite 64. Les analyseurs 59 et 60 pour le CO et le COC et 63 pour H 2 commandent par des circuits représentés schématiquenment en 64 et 65, un dispositif de traitement de données 67, qui lui-même est asservi à la température des fumées par une liaison 68 vers une prise de température 69 au mnêe niveau axial que le prélèvement des funmées d'une part et à un dispositif de mesure de débit par marquage à l'hélium 71 et dont la mesure est également transférée en 72 au dispositif de traitemernt de données 67 Ce dispositif de traitement de données 67 agit par une liaison 70 sur un régulateur d'oxygène 73 qui commande une vanne proportionnelle 74, dont le débit est mresuré en 75 et comparé à une valeur de consigne dans le régulateur 73. On note que le circuit de prélèvement des fumées est assorti de conduites 80 pour le décolratage par soufflage de gaz sous pression, servant, le cas échéant, à la protection de la canne de prélèvement en période non opérationnelle. Selon la figure 6, le dispositif peut être conplété par une analyse de la teneur en eau des fumées issues de four A cet effet, une canne de prélèvement telle que décrite à la figure 4 est raccordée par une conduite 76 isolée et chauffée pour éviter toute condensation vers un filtre à poussières 77, puis vers un analyseur d'eau 78, et après dessication 79, à un groupe de poapage 80 servant à l'aspiraticn des fumées La valeur de la teneur en eau est transférée via 81 vers l'unité de traitement des données 67 pour, le cas échéant, faire une correction compensatrice des analyses précédennent faites sur des fumées sèches. Ài UDREVEMICATICNE 1 Procédé de régulation de l'injection d'oxygène dans -un four a arc électrique de production d'acier 7 ou ferro-alliages à partir de ferrailles; fonte, minerai, du genre x voûte incorporant un conduit coudé d'évacuation des fuméres et adaptée, être dégagée de la cuve du four par un déplacement incorporant une rotation autour d'un axe vertical, ledit conduit coudé se présentant en période opératoire du four en regard et à faible distance d'un conduit de transfert des furmées vers une chambre de ccrbusticn, selon lequel on effectue un. prélèvement des fumées sur le courant des fumées et une prise de température au niveau du coude d'extraction des fumées, on analyse la ccaposition des fumées et on en déduit un réglage du débit de gaz oxygéné dans le four afin d'assurer une co Cbustion aussi poussée que possible du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, caractérisé en ce cue le prélèvement des fumées est effectué dans l'espace intersticiel entre les extrémités libres du conduit coudé d'évacuation des furées et du conduit de transfert des fumées vers la chantre de combustion 2 Procédé de régulation de l'injection d'un gaz oxygéné dans un four à arc électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le prélèvement des fumées au voisinage d'une partie centrale du courant d'écoulemernt des fumées. 3 Procédé de régulation de l'injection d'un gaz oe gdéné dans un four à arc électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue le prélèvenment des fumées par aspiration à contre-courant du sens de circulation des fumées. 4 Procédé de régulation de l'injection d'u gaz oxygéné dans un four à arc électrique selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on effectue le prélèvement des furmes aussi près que possible du débouché extérieur du conduit coudé d'extraction des fumées. 5 Procédé de régulation de l'injection d'un gaz oxygéné dans un four à arc électrique selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'on effectue sur le débit de prélèvement des fumées, successivement, une condensation substantielle de l'eau, une filtration des poussières, une dessiccation coepiète, puis uie anal-se de la teneur en monoxyde de carbone et en hydrogène, cni détenrine le35 débit de fumées et on en déduit un débit de gaz cxygéné injecter. 6 Installation de production:d'acier ou ferro-alliages à partir de ferrailles, fonte, minerai, du genre conportant un four à arc électrique ( 1) à voûte ( 3) incorporant un conduit coudé ( 5) d'évacuation des fumées et adaptée à être dégagée de la cuve du four par un déplacement incorporast une rotation autour d'un axe vertical ( 6), ledit conduit coudé ( 5) se présentant en période opératoire du four en regard et à faible distance d'un conduit de transfert des fuméres ( 11) vers une chambre de coirbustion, avec des moyens de régulation de l'injection d'un gaz oxygéné dans ledit four coeprenant un dispositif de prélèvement de fumées ( 16) au niveau du conduit coudé d'extraction des fumées ( 5 ', des moyens d'analyse ( 59-60-63-71) de la conposition des fumées ainsi prélevées et des moyens de réglage ( 67-73-74-75) du débit de gaz oxygéné injecté ( 51) dans le four afin d'assurer une corbustion plus poussée du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, caractérisée en ce que le dispositif de prélèvement des fumées ( 16) est agencé dans l'espace intersticiel entre les extrér;ités libres en regard du conduit coudé d:Tvacuation des furées ( 5) et du conduit de transfert des furées ( 11, vers la chanbre de ccnbustion. 7 Installation de production d'acier selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de prélèvement des fumées ( 16) débouche dans l'espace intersticiel entre les extrémités libres du conduit coudé d'évacuation des fumées ( 5) et du conduit de transfert des furées ( 11) vers la chanbre de corbustion substar:ieilenent dans une zone centrale dudit espace intersticiel. 8 Installation de production d'acier selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de prélèvenment des fumées ( 16) est solidaire d'un ranchlon ( 13) monté à coulissement dans le conduit de transfert des furies (if frers la charbre de combustion, la course de coulissement étant au moins égaie à la dimension axiale de l'espace interticiel. 9 Installation de production d'acier selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce cque le débouché ( 20, d'une canne de prélèvement ( 31) du dispositif de prélèvement des fmu-es ( 16) est placé dans une zone qui est aussi proche qcue possible de l'extrémité du conduit d'extraction des fumrées ( 5). 1-0 Installation Ce production d'acier selon l'une quelconque des revendicaticrs 6 à 9, caractérisée en ce que le débouché ( 20 de la canne de _prélèvemrent des fumées ( 31) présente une partie tenninale orientée dans la direction d'écoulenent des fumées (F') vers le conduit de transfert des furrmées ( 11) vers la chaibre de coebustion. li Installation de production d'acier selon l'une quelcornque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce que la canne de prélèvenent des fumées ( 31) est montée amovible sur le manchon ( 13) coulissant dans le conduit d'extraction des fumées ( 11). 12 Installation de production d'acier selon l'une quelconque des revendications 6 11, caractérisée en ce que la camnne de prélèvement des funées ( 36) est associée a un nmoyen de refroidissement à eau ( 17-32-18).