Brevet FR2691163A1 — publié le 19931119

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif d'élimination des fumées produites par oxydation d'un métal en fusion telle que de la fonte liquide, au cours de son déversement dans un récipient métallurgique. Dans les usines sidérurgiques, on élabore l'acier à partir de la fonte liquide produite dans des réacteurs métallurgiques tels que des hauts-fourneaux. La fonte produite en continu est transférée dans des poches dites "tonneaux" ou encore appelées "wagons cigares" et qui acheminent celle-ci vers les aciéries où la fonte est à nouveau transférée dans des poches de fonte. Ultérieurement, ces poches déversent la fonte liquide dans des convertisseurs sidérurgiques où s'effec- tue la transformation de ladite fonte en acier. L' acier lui-même, après son affinage en poche, est transvasé afin d'alimenter les filières de coulée continue. Chaque opération de transfert du métal en fusion d'un récipient vers un autre s'accompagne d'un dégagement de fumées rousses correspondant à une oxydation de la vapeur de métal et de très fines gouttelettes dudit métal, par l'oxygène de l'air. Jusqu'à présent, la plupart des sidérurgistes prévoit sur le lieu de transfert du métal un ou plusieurs conduits d'aspiration des fumées rousses. Ces conduits sont généralement équipés de filtres afin de recueillir les particules contenues dans les fumées et qui pourraient polluer l'environnement. Par exemple, une telle installation est mise en place à proximité des hauts-fourneaux à l'endroit où la fonte liquide est transférée dans les wagons cigares. La fonte produite dans le haut-fourneau s 'écoule de celui-ci par l'intermédiaire d'un ou plusieurs canaux de coulée encore appelés "rigoles chaudes". Chaque canal de coulée déverse la fonte dans un récipient appelé "rigole basculante" en formant une première chute. La rigole basculante présente une forme sensiblement allongée et pivote autour d'un axe horizontal disposé transversalement sous ladite rigole permettant ainsi à la fonte de s'écouler par l'une ou l'autre des extrémités dites déversantes qui définissent la longueur de ladite rigole. Deux wagons cigares sont placés au-dessous de la rigole basculante, chacun d'eux étant situé à l'aplomb d'une des deux extrémités déversantes de cette rigole. Lors du pivotement de la rigole dans un sens déterminé, la fonte liquide se déverse dans le wagon cigare correspondant en formant une seconde chute de plusieurs mètres de hauteur. Deux conduits d'aspiration des fumées rousses sont aménagés à proximité de la rigole basculante et l'orifice d'entrée de chacun desdits conduits est respectivement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement de ladite rigole, au-dessus du niveau supérieur de celle-ci et latéralement par rapport à la seconde chute de fonte de manière à aspirer les fumées dégagées. Cette technique n'est cependant pas entièrement satisfaisante. En effet, étant donné la contenance des wagons cigares, environ 300 tonnes de fonte liquide, les volumes gazeux dégagés sont tels que les ventilateurs de l'installation sont dimensionnés pour aspirer à peu près 300000 Nm3/h de gaz. Par ailleurs, la demanderesse s'est aperçue, lors de l'enfournement de la fonte dans le convertisseur, que l'installation d'évacuation des fumées, qui est basée sur le même principe de l'aspiration du volume gazeux dégagé et de la filtration des gaz, n'était pas efficace malgré la présence de deux conduits concentriques d'aspiration, notamment en raison de phénomènes de turbulence qui créent un refoulement non contrôlé des fumées, perturbant ainsi fortement le fonctionnement de l'installation. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif d'élimination des fumées rousses lors du transfert d'un métal liquide d'un récipient dans un autre, qui soit simple, efficace et compatible avec l'installation existante d'aspiration et de filtration desdites fumées. La présente invention a pour objet un procédé d'élimination des fumées produites par oxydation d'un métal en fusion, tel que de la fonte liquide, au cours de son déversement dans un récipient métallurgique, sous la forme d'une chute ayant un trajet sensiblement parabolique, caractérisé en ce que l'on crée, au voisinage de la chute du métal en fusion, une enveloppe gazeuse obtenue par au moins une combustion à haute température d'un mélange sensiblement stoechiométrique d'un comburant et d'au moins un combustible. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - l'enveloppe gazeuse est formée par au moins un flux de produits de ladite combustion dirigé sensiblement vers le sommet de la chute, - ledit flux de produits de ladite combustion est dirigé selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute suivant ledit sommet, - l'enveloppe gazeuse est formée par au moins un premier flux de produits de ladite combustion dirigé sensiblement vers le sommet de la chute et par au moins un second flux de produits de ladite combustion dirigé à proximité de la partie de la chute suivant ledit sommet, - ledit premier flux de produits de ladite combustion est dirigé selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute suivant ledit sommet, - ledit second flux de produits de ladite combustion est dirigé sensiblement parallèlement à la partie de la chute suivant ledit sommet, - ledit second flux de ladite combustion est dirigé vers la base de la chute, - l'enveloppe gazeuse est créée avant le déversement du métal en fusion dans le récipient métallurgique, - le comburant est de l'air et le combustible est un combustible liquide comme par exemple le fuel ou gazeux choisi par exemple par le gaz naturel, les gaz sidérurgiques tels que le gaz de four à coke ou le gaz de hauts-fourneaux. La présente invention a également pour objet un dispositif d'élimination des fumées produites par oxydation d'un métal en fusion, tel que de la fonte liquide, au cours de son déversement dans un récipient métallurgique sous la forme d'une chute ayant un trajet sensiblement parabolique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de formation, au voisinage de la chute du métal en fusion, d'une enveloppe gazeuse formée par au moins une combustion à haute température d'un mélange d'un comburant et d'au moins un combustible pris dans des proportions sensiblement stoechiométriques. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les moyens de formation d'une enveloppe gazeuse comportent au moins un brûleur disposé à proximité de la chute et dont l'axe d'éjection du flux des produits de ladite combustion est orienté vers ledit sommet, - l'axe d'éjection du flux des produits de ladite combustion dudit brûleur est incliné par rapport à la verticale et sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute suivant ledit sommet, - les moyens de formation d'une enveloppe gazeuse comportent, d'une part, au moins un premier brûleur disposé à proximité du sommet de la chute et dont l'axe d'éjection du flux des produits de ladite combustion est orienté vers ledit sommet et, d'autre part, au moins un second brûleur disposé à proximité de la partie de la chute suivant ledit sommet, - l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit premier brûleur est orienté selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute suivant ledit sommet, - l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit second brûleur est orienté sensiblement parallèlement à la partie de la chute suivant ledit sommet, - l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit second brûleur est orienté vers la base de la chute. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique en perspective d'une installation de déversement de la fonte liquide entre des hauts-fourneaux et des récipients métallurgiques, cette installation étant équipée du dispositif d'élimination des fumées selon la présente invention. Comme représenté sur la figure unique, le dispositif d'élimination des fumées selon l'invention s'applique par exemple au déversement de la fonte liquide dans des poches tonnaux ou "wagons cigares" qui sont ensuite dirigés vers l'aciérie. La fonte liquide produite dans un hautfourneau, non représenté, s'écoule par un trou de coulée, puis emprunte un canal de coulée ou "rigole chaude" 1 à l'extrémité duquel elle se déverse dans un premier récipient métallurgique intermédiaire 2 appelé "rigole basculante" en formant une première chute 3 qui a un trajet sensiblement parabolique. La rigole basculante 2 présente une forme générale allongée et pivote autour d'un axe horizontal transversal 4 permettant ainsi à la fonte liquide de s'écouler par l'une ou l'autre des deux extrémités dites déversantes 2a ou 2b de ladite rigole basculante 2 et qui définissent sa longueur. Cette rigole basculante 2 est située audessous d'une plate-forme que l'on appelle le plancher de coulée, non représenté, et sur lequel circule le personnel d'exploitation. Sur le sol de la halle dans laquelle est installé le haut-fourneau, deux wagons cigares 5 et 6 sont disposés à quelques mètres en dessous de la rigole basculante 2, chacun desdits wagons 5 et 6 étant plus précisément situé à l'aplomb d'une des deux extrémités déversantes 2a et 2b de cette rigole basculante 2. La fonte liquide s'écoule de la rigole chaude 1 dans la rigole basculante 2, puis directement dans un autre récipient métallurgique constitué par le wagon cigare 5 en formant une seconde chute 7 dont le trajet a sensiblement une forme parabolique. Ainsi, après le remplissage du premier récipient métallurgique constitué par le wagon citerne 5, la rigole basculante 2 pivote autour de son axe 4 et la fonte liquide se déverse dans le second récipient métallurgique constitué par le wagon citerne 6 en formant également une seconde chute 8 dont le trajet a sensiblement une forme parabolique. Lors de l'écoulement de la fonte liquide, par exemple par l'extrémité déversante 2a de la rigole basculante 2, la chute 7 formée présente une première partie supérieure 7a élargie, de largeur maximale à l'extrémité supérieure de ladite chute qui constitue son sommet. Cette partie supérieure 7a possède un profil arrondi, puis se poursuit par une seconde partie 7b qui se resserre progressivement dont la direction d'écoulement de la fonte liquide constituant la chute 7 se rapproche de plus en plus de la verticale. Il en est de même pour la chute 8 de fonte liquide à l'extrémité déversante 2b de la rigole basculante 2. Une installation d'aspiration des fumées rousses produites par l'oxydation de la fonte liquide lors de son transvasement est prévue sous le plancher de coulée. Cette installation d'aspiration des fumées se compose de deux conduits d'aspiration 9 et 10 qui débouchent à proximité de la rigole basculante 2 par leur orifice d'entrée, respectivement 9a et lOa, des fumées. Chaque orifice d'entrée 9a et îOa est disposé, comme représenté sur la figure, dans un plan perpendiculaire à l'axe 4 de pivotement de la rigole basculante 2, au-dessus du niveau supérieur de celle-ci. Chaque orifice d'entrée 9a et 10a des fumées est ainsi placé latéralement par rapport à la direction d'écoulement de la fonte liquide constituant la seconde chute 7 ou 8 de manière à aspirer les fumées dégagées. Le procédé d'élimination des fumées selon la présente invention consiste à créer, notamment au voisinage de chaque chute 3, 7 ou 8, une enveloppe gazeuse obtenue par au moins un flux de produits de combustion à haute température formé par la combustion d'un mélange sensiblement stoechiométrique d'un comburant et d'au moins un combustible. Dans ce qui suit, le dispositif sera décrit pour la chute 7, le dispositif étant identique pour la chute 8. Un tel dispositif comporte au moins un brûleur 11 de forme générale longitudinale et d'axe appelé axe de brûleur. Le brûleur 11 est disposé en regard de l'extrémité déversante 2a de la rigole 2 et sensiblement dans le plan de symétrie de la chute 7. Ce brûleur 11 est disposé à proximité du sommet arrondi 7a de la chute 7 et l'axe de brûleur présente une inclinaison par rapport à la verticale et est sensiblement confondu avec la direction d'écoulement de la fonte liquide dans la partie 7b de la chute 7 qui suit le sommet 7a de ladite chute. Le dispositif comporte, en outre, au moins un autre brûleur 12 placé à proximité de la seconde partie 7b de la chute 7 et précisément à un niveau situé audessus du wagon cigare 5. L'axe longitudinal de ce brûleur 12 est dirigé sur l'ouverture du wagon cigare 5 et vers la base de la chute 7. Préférentiellement, le dispositif comporte deux brûleurs 12 et 13 disposés symétriquement de part et d'autre de la seconde partie 7b de la chute 7, ces brûleurs étant identiques au brûleur 11. Le dispositif comporte également un brûleur 11 au niveau de la chute 3 de la fonte liquide entre la rigole chaude 1 et la rigole basculante 2. Ce brûleur il est également disposé à proximité du sommet de la chute 3 et son axe longitudinal est incliné par rapport à la verticale et sensiblement confondu avec la direction d'écoulement de la fonte liquide dans la partie de la chute 3 suivant ledit sommet. Chaque brûleur 11, 12 et 13 utilisé dans ce dispositif est alimenté par un comburant et au moins un combustible pris dans des proportions voisines de la stoechiométrie. Le comburant utilisé est par exemple l'air et le combustible est un combustible liquide comme par exemple le fuel ou gazeux choisi parmi le gaz naturel, les gaz sidérurgiques tels que le gaz de four à coke ou le gaz de hauts-fourneaux. La demanderesse a choisi d'effectuer une combustion proche de la stoechiométrie dans chaque brûleur permettant ainsi de former un flux gazeux constitué des produits de ladite combustion tels que CO2, N2 et éventuellement H20, qui sont portés à haute température, à savoir au moins 1200"C, en raison de la nature même de la réaction. Le flux gazeux est diffusé par les brûleurs sous une pression de 3 à 4 bars. La combustion étant contrôlée, supprime tout risque d'émission de monoxyde de carbone, d'accumulation de gaz et donc d'explosion. La flamme de combustion est une flamme de diffusion dure et qui comporte en bout de flamme les produits de combustion. I1 s'agit d'une flamme maîtrisée et localisée ce qui lui évite toute mobilité et écarte donc le risque de brûler ou de surchauffer des zones sensibles, comme par exemple le plancher de coulée ou les conduits d'aspiration 9 et 10. Ces conduits d'aspiration sont effectivement sensibles à la chaleur et peuvent se détériorer lors d'une remontée de flamme. En raison du caractère structuré de la flamme de combustion ainsi que de son aspect tubulaire et long, l'impact du flux gazeux des produits de combustion peut être localisé précisément sur la fonte liquide. Pour des températures avoisinant les 100"C, les filtres placés en aval des orifices d'entrée 9a ou lOa des conduits d'aspiration tendent à se dégrader ce qui perturbe fortement l'aspiration et risque au cours du temps de rendre inutilisable l'installation d'aspiration et de filtration. Du fait de la température élevée des fumées de combustion, celles-ci se dilatent et occupent donc un volume gazeux important. Ce volume gazeux sous l'effet d'une impulsion élevée est diffusé, en premier lieu, sur la partie arrondie de la chute correspondante et dans la direction de l'écoulement de la fonte liquide qui constitue la partie restante de ladite chute. Ainsi, sous l'effet, d'une part, de cette impulsion élevée et, d'autre part, du phénomène de mise en dépression de l'atmosphère autour de la chute, en raison du déversement de la fonte liquide, les fumées de combustion diffusées par le brûleur l1 créent autour de la chute une enveloppe gazeuse s'étendant jusqu'à sa base et qui protège le métal en fusion d'une oxydation par l'oxygène de l'air. De plus, on diffuse le volume gazeux des produits de combustion autour de la base de la chute de manière à évacuer l'air du récipient métallurgique constitué par les wagons cigares 5 ou 6 de façon à le remplir d'une poche gazeuse qui protège alors efficacement la fonte liquide de l'oxygène de l'air. Généralement, on diffuse les produits de combustion quelques minutes avant de débuter le déversement de la fonte liquide afin de s'assurer de l'absence totale d'air dans les zones de déversement. Le dispositif selon la présente invention est tout à fait compatible avec une installation d'aspiration et de filtration des fumées puisque la température des fumées aspirées dans les conduits 9 et 10 n'excède pas 50"C au niveau des filtres, cette valeur étant nettement inférieure à la température d'endommagement desdits filtres. Les fumées de combustion ainsi que les paillettes de graphite provenant du refroidissement de la fonte sont alors aspirées et filtrées de manière à ne pas polluer l'environnement. Par ailleurs, le dispositif selon la présente invention permet de réduire le débit d'aspiration des fumées dégagées par les combustions par rapport aux fumées rousses dégagées jusqu'à présent. Ainsi, au lieu de consommer 300000 Nm3/h, l'installation d'aspiration et de filtration n'en utilise que 150000 Nm3/h, soit une réduction de 50%. D'autre part, les conditions bien maîtrisées permettent de générer d'importants volumes de fumées pour une consommation énergétique très raisonnable. Le dispositif selon la présente invention permet de débarrasser les flux de poussières des oxydes de fer si bien que ces flux de poussières sont constitués principalement de particules de graphite ce qui permet d'éviter l'encrassement rapide des conduits d'aspiration et des filtres. Le dispositif selon la présente invention s'applique d'une manière générale, à toute opération de déversement de métal en fusion dans un récipient métallurgique, comme par exemple le déversement de la fonte dans un convertisseur ou le déversement de l'acier d'un convertisseur dans une poche de coulée. En fonction de l'application envisagée, le dispositif peut comporter un ou plusieurs brûleurs disposés à proximité du sommet de la chute et/ou un ou plusieurs brûleurs disposés à proximité de la partie de la chute suivant ledit sommet. Les axes d'éjection des produits de combustion des brûleurs disposés à proximité du sommet de la chute, peuvent converger vers ledit sommet et peuvent également être orientés vers l'intérieur du récipient métallurgique qui se vide. Les axes d'éjection des produits de combustion des brûleurs disposés à proximité de la partie de la chute suivant le sommet de ladite chute peuvent être orientés parallèlement à la direction d'écoulement du métal en fusion, et converger vers la base de la chute et également être orientés vers l'intérieur du récipient métallurgique qui se remplit. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination des fumées produites par oxydation d'un métal en fusion, tel que de la fonte liquide, au cours de son déversement dans un récipient métallurgique (2, 5, 6) sous la forme d'une chute (3, 7, 8) ayant un trajet sensiblement parabolique, caractérisé en ce que l'on crée, au voisinage de la chute (3,7, 8) du métal en fusion, une enveloppe gazeuse obtenue par au moins une combustion à haute température d'un mélange sensiblement stoechiométrique d'un comburant et d'au moins un combustible. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe gazeuse est formée par au moins un flux de produits de ladite combustion dirigé sensiblement vers le sommet de la chute (3, 7, 8). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit flux de produits de ladite combustion est dirigé selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute (3, 7, 8) suivant ledit sommet. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe gazeuse est formée par au moins un premier flux de produits de ladite combustion dirigé sensiblement vers le sommet de la chute (3, 7, 8) et par au moins un second flux de produits de ladite combustion dirigé à proximité de la partie de la chute (7, 8) suivant ledit sommet. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier flux de produits de ladite combustion est dirigé selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute (3, 7, 8) suivant ledit sommet. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit second flux de produits de ladite combustion est dirigé sensiblement parallèlement à la partie de la chute (7, 8) suivant ledit sommet. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit second flux de produits de ladite combustion est dirigé vers la base de la chute (7, 8). 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l t enveloppe gazeuse est créée avant le déversement du métal en fusion dans le récipient métallurgique (2, 5, 6). 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comburant est de l'air et le combustible est un combustible liquide comme par exemple le fuel ou gazeux choisi par exemple parmi le gaz naturel, les gaz sidérurgiques tels que le gaz de four à coke ou le gaz de hauts-fourneaux. 10. Dispositif d'élimination des fumées produites par oxydation d'un métal en fusion, tel que de la fonte liquide, au cours de son déversement dans un récipient métallurgique (2, 5, 6) sous la forme d'une chute (3, 7, 8) ayant un trajet sensiblement parabolique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (11, 12, 13) de formation, au voisinage de la chute (3, 7, 8) du métal en fusion, d'une enveloppe gazeuse formée par au moins une combustion à haute température d'un mélange d'un comburant et d'au moins un combustible pris dans des proportions sensiblement stoechiométriques. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de formation d'une enveloppe gazeuse comportent au moins un brûleur (11) disposé à proximité de la chute (3, 7, 8) et dont l'axe d'éjection du flux des produits de ladite combustion est orienté vers ledit sommet. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit brûleur (11) est incliné par rapport à la verticale et sensiblement confondu avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute (3, 7, 8) suivant ledit sommet. 13. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de formation d'une enveloppe gazeuse comportent, d'une part, au moins un premier brûleur (11) disposé à proximité du sommet de la chute (3, 7, 8) et dont l'axe d'éjection du flux des produits de ladite combustion est orienté vers ledit sommet et, d'autre part, au moins un second brûleur (12, 13) disposé à proximité de la partie de la chute (7, 8) suivant ledit sommet. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit premier brûleur (11) est dirigé selon une direction sensiblement confondue avec la direction d'écoulement du métal dans la partie de la chute (3, 7, 8) suivant ledit sommet. 15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit second brûleur (12, 13) est orienté sensiblement parallèlement à la partie de la chute (7, 8) suivant ledit sommet. 16. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'axe d'éjection du flux des produits de la combustion dudit second brûleur (12, 13) est orienté vers la base de la chute (7, 8).