Brevet FR2702221A1 — publié le 19940909

La présente invention est relative à un procédé d'injection d'oxygène dans un haut-fourneau ou un cubilot. Par haut-fourneau ou cubilot on entend un appareil comportant une enceinte à peu prés cylindrique à axe vertical dans laquelle on introduit par le sommet, ou "gueulard", du minerai métallique et du coke, le terme minerai désignant ici toute matière apte à fournir, par réduction, du métal et du coke, et, vers la partie basse de l'enceinte, on introduit un gaz contenant de l'oxygène, tel que de l'air chaud, qui, en réagissant avec le coke, élève la température de la masse descendante, jusqu'à réduction du minerai et formation de métal liquide qui se rassemble à la partie inférieure de ltenceinte. Le gaz contenant de l'oxygène est injecté dans l'enceinte par une série de tuyères, qui sont en général régulièrement réparties sur un cercle horizontal. Le gaz contenant de l'oxygène est introduit par la tuyère avec une vitesse relativement grande, il en résulte, dans la masse de minerai et coke, la formation d'une cavité dont l'axe, parallèle à celui de la tuyère au voisinage de celle-ci, s incurve ensuite vers le haut. Des informations contradictoires ont été publiées sur la présence plus ou moins dense de morceaux de coke dans la cavité. I1 semble qu'ils s'y trouvent en faible quantité, et qu'ils y soient constamment agités par les courants de gaz. Il est connu d'injecter, par les tuyères, dans les hauts-fourneaux de fonte, du charbon en plus de l'air chaud. Cette injection de charbon permet de diminuer la consommation de coke. Pour conserver de bonnes conditions de marche, il est nécessaire alors d'introduire aux tuyères de l'air suroxygéné. Afin d'améliorer le fonctionnement du haut-fourneau, il serait souhaitable de pouvoir agir sur les dimensions de la cavité. Malheureusement, celle-ci dépend d'un certain nombre de paramètres qui, en raison d'autres contraintes, ne peuvent pratiquement pas être modifiées le débit, la température et la pression de l'air sont imposés par le régime de production du haut-fourneau, l'efficacité de la gazéification du coke, et de la nature du minerai à réduire. Le nombre de tuyères pour un hautfourneau donné peut très difficilement être modifié, et ce nombre répond aux besoins d'homogénéité de la répartition des gaz dans l'enceinte. Les injections de charbon pulvérisé et d'oxygène par les tuyères ont pour effet de diminuer la charge de coke nécessaire, mais sont pratiquement sans effet sur les dimensions de la cavité. L'injection d'oxygène pur permet une gazéification efficace du charbon pulvérisé, mais son effet est limité par le fait que, dans le fond de la cavité, l'atmosphère est formé pratiquement de monoxyde de carbone (C0), pratiquement pur, si bien que les particules de charbon non gazéifié doivent recirculer dans la cavité, sous l'effet des courants de gaz, afin d'achever leur gazéification. L'invention a pour but de fournir un procédé d'injection de gaz oxygéné dans un haut-fourneau ou un cubilot, qui permette d'améliorer les conditions de marche de ce haut-fourneau ou cubilot. Pour obtenir ce résultat, l'invention fournit un procédé d'obtention de métal au haut-fourneau, ou au cubilot, selon lequel du minerai et du coke sont introduits au gueulard de haut-fourneau ou cubilot et un gaz contenant de l'oxygène est injecté, avec du charbon, vers la partie basse du haut fourneau par des tuyères débouchant à l'intérieur de l'enceinte de celui-ci, ce procédé ayant pour particularité qu'au moins une partie de l'oxygène est injectée par la tuyère sous la forme d'un jet d'oxygène liquide à grande vitesse. De préférence, la vitesse à laquelle 1 ' oxygène liquide sort de la tuyère et supérieure à 100 mètres par seconde. Avantageusement, l'oxygène liquide, en provenance d'une source d'oxygène liquide à pression ordinaire, passe dans une pompe de surpression, puis dans un dispositif de sous-refroidissement situé à proximité du haut-fourneau, avant d'atteindre une buse de section calculée pour transformer la pression de l'oxygène liquide en vitesse, cette buse étant placée dans la tuyère et coaxiale avec elle. L'oxygène liquide injecté à grande vitesse traverse, au moins en partie, la cavité en direction de sa paroi opposée, ce qui a pour effet un apport d'oxygène en fond de cavité, permettant la combustion du charbon non brûlé de même que celle de coke. La paroi de cavité est déplacée, en conséquence, en direction de l'axe vertical de l'enceinte du haut-fourneau ou cubilot, ce qui augmente l'intensité des réactions dans la zone axiale de la masse de minerai et de coke, qui est appelé "l'homme mort" par les hommes de métier. Si la quantité totale d'oxygène introduit n'est pas modifiée, la dimension verticale de la cavité est réduite en conséquence de sa plus grande extension axiale, ce qui est un effet favorable. L'invention va maintenant être exposée de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple pratique, illustré à l'aide des figures, parmi lesquelles Figure 1 est une vue schématique d'un haut-fourneau de type traditionnel, sans injection de charbon et d'oxygène, et Figure 2 est une vue à plus grande échelle montrant l'injection de charbon et d'oxygène liquide. La figure 1 montre, comme on vient de le dire, un haut-fourneau de type classique, avec, en partie haute, le gueulard 1, équipé d'une cloche 2 d'introduction de minerai et de coke, et les conduits 3 d'évacuation du gaz de haut-fourneau, la cuve 4, le creuset 5, les tuyères 6, disposées en partie supérieure du creuset, et soufflant du vent chaud qui leur est amené par un conduit circulaire 7. La référence 8 désigne le trou de coulée, et on a représenté en 9, de façon schématique, la cavité qui se forme dans la masse de coke, métal fondu et minerai, à partir de chacune des tuyères 6. La zone centrale, située entre les cavités 9, constitue "homme mort" 10 dont on a parlé plus haut. La figure 2 montre une partie d'une tuyère à vent chaud 6, dont l'extrémité 11, qui, de façon classique, est creuse et refroidie par circulation d'eau, traverse la paroi 12 du haut-fourneau. Un tube 13 d'injection de charbon pulvérisé 14, poussé par un gaz porteur, qui en principe est de l'air, traverse la paroi de la tuyère 6, et projette le charbon pulvérisé 14 dans la partie axiale de l'écoulement d'air chaud 15 qui s'écoule dans la tuyère. La référence 16 désigne une lance à oxygène liquide, terminée par une buse de petit diamètre, alimentée par une source d'oxygène liquide 17, qui est de préférence du type "Oxytonne" (marque déposée).Cet oxygène liquide est surcomprimé à l'aide d'une pompe de surpression 18, puis passe à travers un surrefroidisseur 19, qui amène sa température environ 10 C en dessous de son point d'ébullition dans les conditions normales. Les conduits 20 de transfert de l'oxygène liquide sont, bien évidemment, convenablement isolés thermiquement. On a représenté en 21, de façon schématique, le jet d'oxygène liquide qui sort de l'injecteur 16. Comme on l'a représenté sur la figure, la grande vitesse initiale du jet 21 fait quvil garde sa cohésion jusqu'au voisinage de la paroi opposée de la cavité 9. On a représenté en trait interrompu fin la forme extérieure 22 de la cavité 9 en l'absence d'injection d'oxygène liquide, alors que la courbe 23, en tirets plus épais, représente la forme de la même cavité sous l'effet de la projection d'oxygène liquide. On constate que la cavité est devenue plus longue dans le sens horizontal, et que, en même temps, sa hauteur a diminué, ce qui correspond à une meilleure concentration de la zone de réaction. L'homme de métier conçoit que les tracés 22 et 23 sont approximatifs, car une observation directe est à peu près impossible, et la forme même de la cavité n'est pas fondamentalement stable, celle-ci n'étant pas remplie uniquement de gaz, mais contenant également une proportion plus ou moins grande de morceaux de coke 24, en cours de réduction, et qui sont entraînés dans un mouvement tourbillonnant par les gaz qui circulent dans la cavité, comme indiqué par les flèches 25. L'homme de métier concevra qu'il est possible d'agir sur la forme de la cavité 9 en modifiant la vitesse d'injection de l'oxygène liquide et/ou la position de l'injecteur 16, et notamment l'angle qu'il fait par rapport à l'axe de la tuyère 6. Il est donc possible d'acquérir une plus grande maîtrise des processus du hautfourneau, par la disposition d'un nouveau paramètre pour lequel on dispose d'une certaine latitude de variations. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention de métal au haut-fourneau, ou au cubilot selon lequel du minerai et du coke sont introduits au gueulard du haut-fourneau ou cubilot, et un gaz contenant de l'oxygène est injecté, avec du charbon (14), vers la partie basse du haut fourneau par des tuyères (6) débouchant à l'intérieur de l'enceinte de celui-ci, et de l'oxygène, caractérisé en ce qu'au au moins une partie de l'oxygène est injecté par la tuyère sous la forme d'un jet d'oxygène liquide (21) à grande vitesse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse à laquelle l'oxygène liquide sort de l'injecteur (16) est supérieure à 100 mètres par seconde. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oxygène liquide, en provenance d'une source (17) d'oxygène liquide à pression ordinaire, passe dans une pompe de surpression (18), puis dans un dispositif de sous-refroidissement (19) situé à proximité du haut-fourneau, avant d'atteindre une buse (16) de section calculée pour transformer la pression de l'oxygène liquide en vitesse, cette buse étant placée dans la tuyère (6).