Brevet FR2735563A1 — publié le 19961220

La présente invention est relative à un procédé de fusion d'une charge dans un four, notamment un four électrique de fusion de ferrailles pour la production d'acier, du type par apport d'énergie de fusion à la charge et avec post-combustion des fumées par injection d'un gaz oxygéné dans l'espace de four audessus de la charge. On entend ici par "gaz oxygéné" un gaz contenant de l'oxygène, qui peut en particulier être de l'air suroxygéné et de préférence de l'oxygène "pur", c'est-à-dire ayant une pureté d'au moins 90%. Le four à arc électrique est un outil de production d'acier liquide utilisant principalement de l'énergie électrique. Aujourd'hui, l'énergie fossile est de plus en plus utilisée pour accroître la productivité de ces fours. Ainsi, l'utilisation de charbon, chargé en panier ou injecté par lances, permet l'utilisation d'énergie fossile. Cette énergie n'est utilisée que partiellement dans la mesure où la combustion du charbon est incomplète. Ainsi, des quantités importantes de CO sont libérées à partir de l'oxydation du carbone. Ce monoxyde de carbone est habituellement brûlé dans une chambre dite de post-combustion située en dehors du four proprement dit. L'utilisation optimale de l'énergie conduit à l'émergence de procédés d'injection d'oxygène au-dessus du bain de métal en fusion pour réaliser la post-combustion in-situ du CO. Les moyens mis en oeuvre industriellement pour réaliser cette post-combustion consistent essentiellement en des injections supersoniques d'oxygène. L'oxygène est injecté soit par des lances, soit par des brûleurs utilisés en oxygène pur ou en mode suroxygéné. L'invention a pour but d'améliorer le rendement énergétique de la post-combustion par une maximisation à la fois de l'énergie libérée par cette post-combustion et du transfert de l'énergie correspondante vers le bain métallique, tout en assurant une longévité élevée du garnissage réfractaire du four et sans oxydation excessive des électrodes. Ceci suppose de favoriser au maximum la réaction CO + 1/2 Q2 CC2, au détriment d'autres réactions non désirées, notamment des réactions d'oxydation du fer (Fe + 1/2 02 et FeO, CO2 + Fe FeO + CO). A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que, pendant les périodes de post-combustion, on injecte le gaz oxygéné sous la forme de plusieurs jets dont chacun a un débit compris entre 400 et 1200 Nm3/h environ et une vitesse de sortie d'injecteur comprise entre 50 et 150 m/s environ. Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - chaque jet a un débit compris entre 500 et 900 Nm3/h environ et une vitesse de sortie d'injecteur comprise entre 70 et 125 m/s environ; - on analyse en continu les fumées du four, et on règle ledit débit en fonction des résultats de cette analyse; - le procédé étant destiné à un four électrique de fusion de ferrailles pour la production d'acier, l'analyse des fumées consiste en une mesure de la concentration en monoxyde de carbone dans les fumées; - on utilise plusieurs groupes d'injecteurs ayant en sortie une composante tangentielle par rapport à l'axe vertical du four, les groupes successifs d'injecteurs étant disposés à des niveaux différents et orientés dans des sens circonférentiels alternés;; - on utilise une série d'injecteurs tous disposés à un même niveau, une partie de ces injecteurs ayant une composante circonférentielle dans un premier sens et une composante vers le bas suivant un premier angle par rapport à l'horizontale, et les autres injecteurs ayant une composante circonférentielle en sens opposé et une composante vers le bas suivant un second angle différent dudit premier angle; - le gaz oxygéné est de l'oxygène ayant une pureté d'au moins 90%. Un exemple de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel - la Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un four électrique de mise en oeuvre de l'invention; - la Figure 2 est une vue schématique prise en coupe horizontale suivant la ligne II-II de la Figure 1; et - la Figure 3 est une vue en coupe longitudinale plus détaillée et à plus grande échelle d'un injecteur d'oxygène du four. Le four électrique à arc représenté aux Figures 1 et 2 est destiné à réaliser la fusion de ferrailles en vue de produire de l'acier. I1 comporte 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 réparties autour d'un axe vertical X-X. La voûte comporte un conduit 10 de sortie des fumées. Le four 1 est équipé d'au moins deux séries étagées d'au moins deux, typiquement au moins trois, injecteurs de gaz oxygéné, respectivement 11 et 12. La première série d'injecteurs 11 est située à un niveau N1 voisin de la moitié de la hauteur H 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 d'injecteurs 12 est située à un niveau N2 qui représente approximativement les 3/4 de cette même hauteur H. Les injecteurs 11 d'une part, 12 d'autre part sont donc situés dans deux plans horizontaux étagés, dont l'écart vertical est de l'ordre du quart de la hauteur maximale de voûte H. Chaque injecteur est orienté de façon à présenter une composante tangentielle principale et une composante radiale centripète. Les débouchés de la série inférieure d'injecteurs 11, au niveau N1 = H/2 sont tous orientés, en vue de dessus, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de façon à former un courant inférieur de gaz à circulation rotative dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (Figure 2). Les débouchés des injecteurs 12 de la série supérieure d'injecteurs, au niveau N2 = 3 H/4, sont tous orientés, en vue de dessus, dans le sens des aiguilles d'une montre, de façon à former un courant supérieur de gaz à circulation rotative dans le sens des aiguilles d'une montre. Les injecteurs sont alimentés en oxygène à une pureté d'au moins 90% à partir d'une source 13 (Figure 2), via des conduites respectives 14 munies d'organes de réglage respectifs 15. Le four comporte également un analyseur 16 de la teneur en monoxyde de carbone (CO) dans les fumées évacuées par le conduit 10, cet analyseur ayant des moyens de commande des organes 15 de réglage de l'alimentation des injecteurs 11 et 12 en fonction des mesures qu'il effectue en continu et en temps réel. On se réfère maintenant à la Figure 3, où il apparaît que l'un quelconque des injecteurs 11, 12, par exemple un injecteur 11, comprend une tête 17 disposée dans l'épaisseur de la paroi 3 du four et présentant un passage de gaz sensiblement cylindrique d'axe 18 incliné d'un angle a sur un axe 19 radial par rapport à l'axe vertical X-X du four repéré sur la Figure 1. La tête 17 est formée à l'extrémité d'un corps généralement cylindrique 20 d'axe confondu avec l'axe 19 quand l'injecteur est monté sur le four, ce corps étant creusé d'un passage de gaz prolongeant celui d'axe 18 qui traverse la tête, le corps débordant ainsi de la surface extérieure 21 de la paroi 3 du four, paroi portée classiquement par une structure de support 22 schématiquement représentée à la Figure 2. Le corps 20 de l'injecteur est monté à rotation autour de l'axe 19 dans un palier 23 de support, également schématiquement représenté à cette figure. Lorsque le réglage en rotation est réalisé, en fonction des particularités du four, la position de l'injecteur est fixée au moyen d'une matière de remplissage réfractaire 24 disposé entre la tête 17 et l'ouverture cylindrique 25 de la paroi 3 qui la reçoit. Quel que soit le réglage, la face avant 26 de la tête 17 affleure sensiblement la face intérieure 27 de la paroi 3. On a encore représenté sur la Figure 3 un circuit 28 de circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau froide. D'autres caractéristiques et avantages d'un tel injecteur sont décrits dans le EP-A-0 127 492 au nom de la Demanderesse. Un diaphragme 29 contenant un orifice calibré fixe 30 est monté dans un lamage 31 prévu dans l'extrémité arrière du corps 20, et la conduite d'alimentation 14 est raccordée à ce dispositif. Le diamètre de sortie des injecteurs est également fixe et très supérieur à celui de l'orifice 30. I1 est compris entre 3 et 6 cm environ, et de préférence voisin de 5 cm. De plus, comme dans le EP-A précité, l'extrémité avant de la conduite 14 peut être équipée d'un clapet anti-retour de protection (non représenté). En fonctionnement, on procède à des étapes alternées de chargement/coulée et de fusion. Pendant chaque étape, l'analyseur 16 compare la concentration en CO des fumées à une valeur basse de consigne et règle de façon correspondante l'alimentation des injecteurs. Pendant tout le fonctionnement, le débit d'oxygène par injecteur est maintenu entre 50 et 1200 Nm3/h environ (lNm3 est un m3 dans les conditions normales de température et de pression), et la vitesse de sortie d'oxygène, compte-tenu du dimensionnement des injecteurs et de la pression de sortie, qui est sensiblement la pression atmosphérique, est comprise entre 10 et 150 m/s environ. Les gammes de valeurs préférentielles sont, pour le débit par injecteur, de 100 à 900 Nm3/h et, pour la vitesse de sortie, de 15 à 125 m/s. Si le débit par injecteur dépasse 1200 Nm3/h environ, il existe un risque élevé de destruction rapide des panneaux réfractaires qui constituent la paroi 3 du four, et/ou d'oxydation d'au moins une électrode et/ou du bain métallique. On a constaté qu'avec une telle combinaison de paramètres, la consommation spécifique en électricité, pour une consommation spécifique donnée en oxygène, est particulièrement faible. Ceci a été attesté par des essais à l'échelle industrielle, effectués sur un four de 85 tonnes de capacité du type illustré sur les Figures 1 à 3, ayant six injecteurs de diamètre de sortie 50 mm, avec un débit maximal par injecteur de 700 Nm3/h affiché sur le dispositif de régulation 16 et un petit débit de protection des injecteurs de 50 à 70 Nm3/h environ pendant les périodes hors courant. La consommation électrique, dans ce four, s'est révélée nettement réduite lorsqu'on alimente tous les injecteurs, par rapport au cas où l'on alimente quatre des six injecteurs, pour une consommation spécifique d'oxygène sensiblement identique. Ceci met en évidence l'amélioration des performances de la postcombustion lorsqu'on réduit la vitesse de sortie d'injecteur des jets d'oxygène. L'invention peut être mise en oeuvre avec d'autres agencements des injecteurs dans le four. EN particulier, on peut utiliser une série d'injecteurs tous disposés à un même niveau, une partie de ces injecteurs ayant une composante circonférentielle dans un premier sens et une composante vers le bas suivant un premier angle par rapport à l'horizontale, et les autres injecteurs ayant une composante circonférentielle en sens opposé et une composante vers le bas suivant un second angle différent dudit premier angle. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fusion d'une charge dans un four (1) par apport d'énergie de fusion à la charge et avec post-combustion des fumées par injection d'un gaz oxygéné dans l'espace de four au-dessus de la charge, caractérisé en ce que, pendant les périodes de postcombustion, on injecte le gaz oxygéné sous la forme de plusieurs jets dont chacun a un débit compris entre 400 et 1200 Nm3/h environ et une vitesse de sortie d'injecteur (11, 12) comprise entre 50 et 150 m/s environ. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque jet a un débit compris entre 500 et 900 Nm3/h environ et une vitesse de sortie d'injecteur (11, 12) comprise entre 70 et 125 m/s environ. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on analyse en continu les fumées du four, et on règle ledit débit en fonction des résultats de cette analyse. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, pour un four électrique (1) de fusion de ferrailles pour la production d'acier, l'analyse des fumées consiste en une mesure de la concentration en monoxyde de carbone dans les fumées. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs groupes d'injecteurs (11, 12) ayant en sortie une composante tangentielle par rapport à l'axe vertical (X-X) du four (1), les groupes successifs d'injecteurs étant disposés à des niveaux différents (N1, N2) et orientés dans des sens circonférentiels alternés. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise une série d'injecteurs tous disposés à un même niveau, une partie de ces injecteurs ayant une composante circonférentielle dans un premier sens et une composante vers le bas suivant un premier angle par rapport à l'horizontale, et les autres injecteurs ayant une composante circonférentielle en sens opposé et une composante vers le bas suivant un second angle différent dudit premier angle. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz oxygéné est de l'oxygène ayant une pureté d'au moins 90%.