Brevet FR2812659A1 — publié le 20020208

L'invention concerne le domaine des réacteurs métallurgiques, comme les fours de fusion, les convertisseurs de fonte, d'aciers alliés ou de non-ferreux et ainsi que les fours à arc électrique utilisés notamment pour la fabrication de l'acier à partir de ferrailles ou de substituts de ferrailles. L'invention sera détaillée pour son utilisation aux fours à arc électrique ; cependant, l'homme de l'art comprendra aisément son fonctionnement sur les autres réacteurs métallurgiques, et notamment ceux indiqués ci-dessus. Dans la technologie de fabrication de l'acier au four à arc électrique, on réalise la fusion de ferrailles ou de ses substituts en établissant un arc électrique entre les électrodes du four et le métal de manière à apporter de l'énergie pour fondre le métal durant la phase de fusion et le maintenir en fusion durant la phase d'affinage. Durant la phase d'affinage, on apporte au bain de métal liquide l'oxygène nécessaire pour réaliser la décarburation et au laitier l'oxygène nécessaire pour faire du laitier moussant en couplant l'apport d'oxygène avec l'apport de carbone. L'apport d'oxygène peut être réalisé à l'aide d'injecteurs supersoniques. Soit cette injection est réalisée à l'aide de lances de porte refroidies ou non refroidies à l'eau. Dans ce cas, la lance est montée sur une partie mobile, ce qui entraîne une maintenance élevée. De plus, l'oxygène n'est pas injectée uniformément dans le bain, ce qui est défavorable à des performances élevées au four, la bain n'étant pas homogène. Soit cette injection est réalisée à l'aide d'injecteurs disposés dans la paroi du four. Cette disposition permet de répartir de façon plus uniforme l'oxygène dans le bain et le laitier et d'augmenter le rendement thermique du four, ce qui permet de diminuer les temps d'élaboration de l'acier. Mais l'injecteur doit être capable de supporter des charges thermiques élevées et il faut s'assurer que l'oxygène puisse atteindre le bain de métal liquide et le pénétrer. Pour diminuer les charges thermiques supportées par l'injecteur, il est déjà connu d'installer des injecteurs d'oxygène de type supersonique en paroi à une certaine hauteur du bain. Le problème qui se pose dans ce type d'installation est que le jet d'oxygène s'ouvre à la sortie du nez de l'injecteur, ce qui diminue la force de pénétration du jet dans le bain. Le but de l'invention est de proposer un procédé de production d'acier au four à arc électrique dans lequel on injecte de façon supersonique de l'oxygène à l'aide d'un injecteur situé à une certaine distance du bain et de telle sorte que l'oxygène impacte le bain et le laitier avec une force suffisante pour les pénétrer. L'invention concerne donc un procédé de production d'acier au four à arc électrique consistant à fondre le métal et le maintenir en fusion par apport d'énergie au moyen d'un arc électrique entre les électrodes du four et le métal, et à affiner le métal en fusion en injectant dans le bain de métal un jet supersonique adapté d'oxygène. Ce jet adapté est délivré de préférence par un injecteur supersonique disposé au-dessus du bain, ledit injecteur comportant alors une tuyère dite de Laval qui présente d'amont en aval un convergent, un col où la vitesse de l'oxygène devient sonique, un divergent où la vitesse de l'oxygène devient supersonique et une partie droite destinée à stabiliser le jet d'oxygène. Ladite tuyère est dimensionnée en fonction du débit et de la vitesse de sortie désirés du jet d'oxygène, et la pression de l'oxygène à l'entrée de la tuyère étant telle que la pression de sortie du jet est sensiblement égale à la pression de l'atmosphère environnante. La sensible égalité (moins de 1 bar environ de différence) entre ces deux pressions permet de limiter les effets de compression-détente qui se produisent dans le jet supersonique. Or, ces effets compression-détente diminuent l'énergie cinétique du jet. II est donc nécessaire de limiter ces effets, d'où la nécessité d'avoir un jet adapté (c'est-à-dire dont la pression statique en sortie est sensiblement égale à la pression de l'atmosphère environnante). Afin d'éviter la création d'ondes de chocs à l'intérieur de la tuyère, cette dernière présente avantageusement des surfaces de raccordement arrondies selon des spécifications bien précises respectivement entre le convergent et le col, le col et le divergent, le divergent et la partie droite Selon une autre caractéristique de l'invention, on accélère le début de la fusion du métal en brûlant un gaz naturel pendant la période de fusion, et ce gaz naturel est introduit par un canal annulaire entourant la tuyère, et l'oxygène nécessaire pour la combustion du gaz naturel est injecté par la tuyère de Laval. Pendant cette phase, l'oxygène sort de préférence de la tuyère à une vitesse subsonique. Cependant, l'oxygène sort à des vitesses proches des vitesses soniques, et il n'est pas facile de générer une flamme stable. Afin de créer une flamme stable, le gaz naturel est introduit autour de l'oxygène et rencontre celui-ci dans une chambre de pré-mélange, comme expliqué ci-après. Cette disposition présente l'avantage par rapport à d'autres technologies et notamment celles décrites dans EP-A-0 866 138, EP-A-0 866 139 et EP-A-0 866 140, de faire fonctionner l'injecteur en mode lance ou en mode brûleur avec uniquement deux alimentations gazeuses (l'une pour l'oxygène, l'autre pour le gaz naturel) au lieu de trois alimentations gazeuses nécessaires dans les brevets susmentionnés. En outre, le procédé selon l'invention permet d'injecter de l'oxygène dans un bain liquide à partir d'une certaine distance sans utiliser la protection d'une flamme grâce à l'utilisation d'une tuyère générant un jet adapté de fonctionner en mode brûleur en utilisant la tuyère pour délivrer l'oxygène de la flamme. Le procédé selon l'invention est donc plus simple que celui décrit dans les brevet susmentionnés et son fonctionnement est plus économique, car il consomme moins de gaz. L'utilisation de l'injecteur en mode supersonique est nécessaire pendant les périodes d'affinage. Elle peut toutefois commencer au milieu de la période de fusion de la charge. Sur des fours utilisant des chargements à base de AIS ("Alternative Iron Sources"), le mode supersonique peut être utilisé pendant la totalité de la coulée. Avantageusement, le ratio des débits d'oxygène délivrés par l'injecteur en mode supersonique et en mode brûleur est sensiblement égal à 5. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un injecteur supersonique d'oxygène utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; la figure 2 est une coupe de la tuyère dite de Laval ; la figure 3 montre en coupe un four à arc électrique et l'implantation de l'injecteur supersonique sur ce four ; la figure 4 est une vue de dessus du four de la figure 3 ; la figure 5 montre les courbes représentatives des débits d'oxygène et de gaz naturel en fonction du temps pour un cycle d'élaboration d'un acier ; la figure 6 montre les courbes représentatives des débits d'oxygène et de gaz naturel en fonction du temps pour un autre type de cycle d'élaboration d'un acier ; et la figure 7 montre un schéma de principe, vu de dessus, du montage de l'injecteur sur une paroi de four. Les figures 3 et 4 montrent sur un four 1 à arc électrique, constitué d'une cuve 2 surmontée d'un couvercle 3 équipé d'électrodes 4 destinés à produire un arc électrique entre elles et le métal contenu dans le fond de la cuve 2, afin de fondre le métal et le maintenir en fusion. La paroi périphérique 5 du four 1 est équipée d'un' injecteur supersonique d'oxygène 10 d'axe X situé au-dessus du bain 6 de métal en fusion. L'axe X de l'injecteur 10 fait par rapport à la verticale 7 un angle y compris entre 30 et 65 . Le nez 11 de l'injecteur 10, situé à l'intérieur de la cuve 2, se trouve au-dessus du bain 6 à une hauteur H comprise entre 0,5m et 1,5m. En outre, ainsi que cela est montré sur la figure 4, l'axe X de l'injecteur 10 peut présenter par rapport au plan radial vertical 8 de la cuve 2 qui passe par le nez 11 de l'injecteur 10 un angle 8. Les figures 1 et 2 montrent en détail la, configuration de l'injecteur 10. Cet injecteur comporte un conduit central 12 de révolution autour de l'axe X, et un conduit annulaire 13 d'axe X entourant à faible distance, le conduit central 12. Ces deux conduits 12 et 13 débouchent dans la chambre de pré-mélange 11 de l'injecteur 10 respectivement par un orifice circulaire 14 et un orifice annulaire 15. La chambre de pré-mélange 11 est équipé d'un convergent 11bis qui débouche sur le nez de l'injecteur 11ter. Le conduit central 12 est destiné à fournir un jet d'oxygène dans le four 1, tandis que le conduit annulaire 13 est destiné à délivrer du gaz naturel GN dans le four 1 au début de la fusion du métal, ce gaz naturel étant brûlé dans le four grâce à un apport d'oxygène délivré par le conduit central 12 à une vitesse subsonique. Mais le rôle essentiel du conduit 12 est de délivrer un jet supersonique d'oxygène susceptible de traverser le laitier et de pénétrer dans le bain 6 de métal liquide au cours de la phase d'affinage de l'acier. A cet effet, le conduit central 12 est délimité en amont par une paroi cylindrique 16 raccordée à une source d'oxygène non montrée sur les dessins, et en aval par une tuyère 20 type de Laval montrée en détail sur la figure 2. ._ Cette tuyère 20 présente d'amont en aval, un convergent 21, un col 22 où la vitesse de l'oxygène devient sonique, un divergent 23 où la vitesse de l'oxygène devient supersonique et une partie droite 24, qui débouche par l'orifice 14 et qui a pour but de stabiliser le jet d'oxygène. Les dimensions des différentes portions de la tuyère 20 et la pression à l'entrée de la tuyère 20 sont calculées en fonction du débit désiré d'oxygène et de la vitesse de sortie souhaitée du jet par l'orifice 14, de telle manière que le jet traverse le laitier et pénètre dans le bain 6 durant la phase d'affinage et de telle manière que la pression statique de l'oxygène à la sortie de l'injecteur 11ter soit sensiblement égale à la pression de l'atmosphère régnant dans le four 1. Les angles a et P que font respectivement les génératrices du divergent 23 et du convergent 21 avec l'axe X et qui sont en fait les demi- angles au sommet du divergent 23 et du convergent 21 ont une importance particulière. L'angle a doit être compris entre 2 et 12 et l'angle P doit être compris dans l'intervalle 15 -35 ,de préférence 20 -35 . Pour une tuyère 20 très optimisée, les angles a et p ont pour valeur respective 4 et 20 . Afin de ne pas générer de chocs dans l'écoulement de l'oxygène, la tuyère 20 ne doit pas présenter de discontinuités géométriques, c'est pourquoi les arêtes vives du col 22 et du divergent 23 sont remplacées par des surfaces de raccordement arrondhes ayant des rayons de courbure référencés R1, R2 et R3 sur la figure 2. Les valeurs préférées pour les rayons de courbure R1, R2 et R3 sont les suivantes De préférence en mode supersonique, la vitesse du jet d'oxygène est comprise entre 1,5 et 2,5 Mach. Le débit du jet supersonique est de préférence compris entre 50 et 4000 Nm3/h et préférentiellement entre 1000 et 3 500 Nm3/h. On rappelle que N m3 correspond à un volume de gaz mesuré sous la pression atmosphérique et à une température de 0 C. La chambre de pré-mélange 11 est dimensionnée de telle sorte que son diamètre en amont soit au moins égal à celui de la couronne annulaire 15. Cette chambre est constituée d'un convergent 11 bis dont le demi-angle est compris entre 0 et 25 et dont la longueur est comprise entre 1 et 5 fois le diamètre de sortie de la tuyère de Laval. Ce convergent 11 bis débouche sur le nez de l'injecteur 11 ter. Lorsqu'on utilise l'injecteur 10 pour fournir à une vitesse subsonique de l'oxygène pour la combustion du gaz, naturel GN, le débit maximum d'oxygène est sensiblement divisé par 5, et l'injecteur 10 fonctionne en mode brûleur. Le canal annulaire 13 est conçu de telle sorte que la vitesse du gaz naturel est proche de celle de l'oxygène délivré par la sortie 14. La vitesse de la flamme est de préférence comprise entre150 rn/s et Mach1. La puissance de la flamme est de préférence comprise entre 0,5 et 5 MW. Le débit du gaz naturel est sensiblement égal à la moitié du débit d'oxygène pour avoir une flamme stoechiométrique. La figure 5 donne un exemple d'utilisation d'un injecteur 10, ayant une tuyère supersonique 20 désignée pour 2 000 Nm3/h à Mach 2, 1 , sur un four à arc électrique. En mode veille, un faible débit d'oxygène (40 Nm3/h par exemple) passe à travers la tuyère 20. En mode brûleur, on ne peut passer que 400 Nm3/h d'oxygène de façon subsonique. On injecte donc 200 Nm3/h de gaz naturel GN pour avoir une flamme stoechiométrique d'une puissance de 2MW, au début de la phase de fusion du métal. La vitesse de sortie du gaz naturel est proche de celle de l'oxygène et aux environs de 250 m/s. En mode lance, c'est-à-dire pendant la phase d'affinage de l'acier, la tuyère 20 débite 2 000 Nm3/h à Mach 2, 1. II n'y a pas de débit de gaz naturel pendant le fonctionnement de la tuyère en mode lance. La figure 6 donne un autre exemple d'utilisation d'un injecteur 10, ayant une tuyère 20 désignée pour 2 000 Nm3/h à Mach 2, 1, sur un four à arc électrique, dans lequel on introduit deux paniers successifs. En mode veille un faible débit d'oxygène passe à travers la tuyère 20. En mode lance, la tuyère 20 débite 2 000 Nm3/h à Mach 2, 1. En mode brûleur, on ne peut passer que 400 Nm3/h d'oxygène de façon subsonique. On injecte donc 200 Nm3/h de, gaz naturel, à une vitesse voisine de celle de l'oxygène, et on obtient une flamme stoechiométrique d'une puissance de 2MW. Pendant la période de fusion, au début de chaque panier, l'injecteur 10 est utilisé en mode brûleur et lorsque la quantité de ferrailles diminue, l'injecteur 10 est ensuite utilisé en mode lance. Pendant la période d'affinage, l'injecteur 10 est utilisé en mode lance. Dans les deux exemples d'utilisation décrits ci-dessus, la tuyère 20 délivre de l'oxygène à vitesse subsonique lorsqu'elle est en mode brûleur, et délivre de l'oxygène de façon supersonique lorsqu'elle est @ en mode lance. La figure 7 montre l'installation de l'injecteur 10 sur une paroi refroidie du four 1. L'injecteur 10 présente un raccord 20 pour l'alimentation de l'oxygène et un raccord 21 pour l'alimentation du gaz naturel GN. II est en outre équipé d'un circuit interne de refroidissement par eau qui présente une entrée 22 et une sortie 23 d'eau raccordés à un circuit externe. La partie de l'injecteur 10 refroidie à l'eau loge dans une bouillotte en cuivre 24 elle aussi refroidie par de l'eau entrant par le raccord 25 et sortant par le raccord 26. La bouillotte en cuivre 24 est montée dans la paroi périphérique 5 de la cuve 2. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'acier dans un réacteur métallurgique tel qu'un four électrique à arc consistant à fondre le métal et le maintenir en fusion par apport d'énergie au métal, et à affiner le métal en fusion en injectant dans le bain (6) de métal un jet supersonique d'oxygène délivré par un injecteur supersonique (10) disposé au-dessus du bain (6), ledit injecteur (10) comportant une tuyère (20) dite de Laval qui présente d'amont en aval un convergent (21), un col (22) où la vitesse de l'oxygène devient sonique, un divergent (23) où la vitesse de l'oxygène devient supersonique et une partie droite (24) destinée à stabiliser le jet d'oxygène, ladite tuyère (20) étant dimensionnée en fonction du débit et de la vitesse de sortie désirés du jet d'oxygène, et la pression de l'oxygène à l'entrée de la tuyère étant telle que la pression de sortie du jet est sensiblement égale à la pression de l'atmosphère environnante. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la tuyère (20) présente des surfaces de raccordement arrondies entre respectivement le convergent (21), le col (22), le divergent (23) et la partie droite (24). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que le demi-angle au sommet du convergent (21) est compris entre 2 et 12 et le demi-angle au sommet du divergent (23) est compris entre 15 et 35 . 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que l'injecteur (10) supersonique est placé au-dessus du bain (6) en fusion à une hauteur comprise entre 0,5m et 1,5m. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que l'axe (X) de la tuyère (20) fait avec la verticale (7) un angle compris entre 30 et 65 . 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que la vitesse du jet supersonique est comprise entre 1,5 et 2,5 Mach. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le débit d'oxygène est compris entre 50 et 4 000 Nm3/h et de préférence entre 1000 et 3 500 Nm3/h. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que l'on accélère la fusion du métal en brûlant un gaz naturel au début de la période de fusion du métal, le gaz naturel étant introduit par un canal annulaire (13) entourant la tuyère (20), et l'oxygène nécessaire pour la combustion du gaz naturel étant injecté par la tuyère (20). 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé par le fait que pendant la période d'accélération de la fusion, l'oxygène sort de la tuyère à une vitesse subsonique. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé par le fait que la vitesse de la flamme est comprise entre 150m/s et Mach 1. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendicatiôns 7 à 9 caractérisé par le fait que la puissance de la flamme est comprise entre 0,5 et 5MW. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 caractérisé par le fait que le ratio des débits d'oxygène délivrés par l'injecteur en mode supersonique et en mode brûleur est sensiblement égal à 5.