FR 2489368 A1 19820305 FR 8018846 A 19800826 -1- NOUVELLE BUSE POUR LANCE D'INJECTION D'OXYGENE POUR LA DECARBURATION DES FONTES ET APPLICATION A LA DECARBURATION DES FONTES AU CIROME S La nouvelle buse, qui fait l'objet de l'invention, concerne de la façon la plus générale, la décarburation des fontes au moyen de lances dispo- sées au-dessus du niveau de la fonte liquide, qui émettent à travers une buse un jet d'oxygène en direction de la surface de cette fonte. L'in- vention concerne plus particulièrement les caractéristiques des jets d'oxygène issus de lances d'injection équipées de cette nouvelle buse et l'influence de ces caractéristiques sur les conditions d'interaction en- tre ces jets d'oxygène et la fonte liquide. Cette nouvelle buse s'appli- que en particulier, mais de façon non limitative, à la décarburation des fontes au chrome. Un certain nombre d'études ont été faites sur les caractéristiques que doi- vent présenter les buses montées à l'extrémité des lances d'injection d'oxygène utilisées pour la décarburation des fontes. C'est ainsi que, dans l'ouvrage qui concerne la métallurgie de l'acier au moyen de con- vertisseurs basiques intitulé: "BOF Steelmaking" qui a été publié en 1976 aLx Etats-Unis par l'Iron and Steel Society, on trouve des indications précises au volume 3 Chapitre 8, pages 150 à 153, sur les caractéristi- ques des buses montées sur les lances à oxygène. Il est précisé en parti- culier à la page 150, lignes 28 à 35, qu'un écoulement supersonique rai- sonnablement uniforme peut être obtenu au moyen d'une simple partie coni- que divergente quli fait suite à l'étranglement. La figure 8-5, page 151, reproduit une telle buse pour lance à oxygène. Enfin, page 153, lignes 7 à 17, des renseignements précis sont donnés sur le demi angle au sommet qu'il convient d'adopter pour la partie tronconique divergente. On doit O0 éviter des angles trop grands qui renforcent les ondes de choc causant une trop rapide dispersion du jet. Il est proposé de choisir le demi angle au sommet de la buse d'injection dans l'intervalle compris entre 2,5 et 10 , un demi angle de 5 étant considéré comme un compromis pra- tique. L'expérience a montré que les buses ainsi réalisées donnent des résultats relativement satisfaisants dans le cas général de la décarburation des fontes ordinaires, mais, par contre, des difficultés ont été rencontrées dans le cas du traitement des fontes au chrome et, en particulier, dans le cas de la mise en oeuvre du procédé de décarburation des fontes au chrome qui fait l'objet de la demande de brevet français n 80 01809 dé- posée le 24.01.80 par UGINE ACIERS. Dans cette demande, est décrit et revendiqué un procédé de décarburation des fontes au chrome ou au chrome nickel contenant en % en poids 1,5 à 8 de C, 10 à 30 de Cr et jusqu'à 30 de Ni, qui conmporte au moins dans la phase finale de la décarburation, la formation d'une émulsion gaz/fonte liquide au sein de laquelle le carbone est oxydé directement par l'oxygène. Les conditions nécessaires à la réalisation de cette émulsion sont criti- ques. En effet, il est connu que la réalisation d'émulsions entre une fonte liquide, un laitier et une phase gazeuse est relativement facile. C'est le cas de la décarburation des fontes par le procédé LD. Ce sont alors les caractéristiques de viscosité du laitier qui jouent le rôle le plus important, conmme cela est montré dans l'article de A. CIATTERJEE, N. 0. LINDFOR et J.A. 1ESTER: "Process metallurgy of LD Steelmaking" (Iron making and steel making 1976 - n 1). Par contre, pour qu'une émul- sion entre une phase gazeuse et le métal liquide puisse se former et se maintenir de façon stable, même en l'absence quasi totale de laitier, jus- qu'à ce que la teneur en carbone soit abaissée, jusqu'à un niveau final proche de 0,2 %, des conditions bien définies de température de la fonte liquide, de teneur en carbone, de distance lance-bain, de débit et de pression d'oxygène doivent être réalisées. Ainsi que cela est décrit dans la demande FR. 80 01809, lorsque les condi- tions favorables sont réunies et que l'émulsion entre phase gazeuse et fonte liquide se forme et se maintient de façon satisfaisante, on obtient à la fois une décarburation rapide et poussée et, en même temps, un ren- dement en chrome métal particulièrement élevé. Les exemples donnés dans cette demande concernent des essais effectués sur des quantités unitaires de fonte au chrome d'environ 60 kg. La buse utilisée avait un diamètre au col de 2 nmm, et un débit de 168 Nl/mn d'oxygène. Les études poursuivies et les nombreux essais effectués pour le développe- ment de ce procédé de décarburation des fontes au chrome ont montr& qu'il ne suffisait pas d'ajuster convenablement les paramètres opératoires qui 3- avaient été identifiés pour obtenir de façon reproductible l'établisse- ment d'une émulsion stable. Dans bien des cas, des retards à la formation de l'émulsion et une certaine instabilité de celle-ci étaient observés; ces retards et/ou cette instabilité entraînaient une chute des rendements en chrome et en fer. Dans quelques cas même, l'émulsion ne se formait pas du tout. On a donc recherché le moyen d'améliorer la reproductibilité du déclenche- ment de l'émulsion gaz/fonte liquide et aussi d'accroître la stabilité de cette émulsion une fois formée. Le moyen qui fait l'objet de l'invention est une nouvelle buse pour lance d'injection d'oxygène à jet supersonique, grâce à laquelle il est possi- ble de provoquer avec une beaucoup plus grande efficacité la formation de l'émulsion gaz/fonte liquide. Cette nouvelle buse suivant l'invention se caractérise par un divergent qui comporte au-delà du col ou étranglement, une partie tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70 et, de préférence, entre 62 et 660, l'angle de 65 étant proche de l'optimum dans les conditions des essais. Cette partie tronconique peut être prolongée par une surface de révolution autour du même axe dont la génératrice présente uneconcav-i- té tournée vers l'intérieur de façon à diminuer la dispersion du jet. La nouvelle buse suivant l'invention permet de mettre en oeuvre de façon particulièrement efficace, le procédé de décarburation des fontes au chro- me par jet d'oxygène supersonique qui fait l'objet de la demande de bre- vet--fançais n0 80 01809. Cette nouvelle buse s'applique aussi de façon beaucoup plus générale à la décarburation des fontes de tous types grâce à une efficacité particulière pour provoquer l'émulsion de la fonte liquide au moyen de la phase gazeuse, et, éventuellement aussi, l'émulsion du laitier liquide. L'exemple et les figures ci-après permettent de mieux comprendre les carac- téristiques de la buse qui fait l'objet de l'invention ainsi que son appli- cation à la décarburation des fontes au chrome. -4- La figure 1 représente une buse de type connu pour jet d'oxygène superso-. nique. La figure 2 représente la variation de la poussée du jet en fonction de l'angle au sommet du divergent d'une buse tronconique. La figure 3 représente une buse pour jet d'oxygène supersonique suivant l'invention. La figure 4 représente la variation du rendement en chrome en fonction de l'angle au sommet du divergent tronconique de la buse. La figure 5 représente la variation du rendement en fer en fonction de ce même angle au sommet. La figure 6 représente une buse suivant l'invention à profil amélioré. Dans les premiers essais de décarburation des fontes au chrome suivant le procédé décrit dans la demande FR. 80 01809, on utilisait une lance à oxy- gène comportant une buse dont l'étranglement ou coikestitué par une zone tubulaire cylindrique d'environ 2 mm de diamètre et 20 mm de long. L'ex- trémité de cette zone tubulaire du côté sortie n'était pas prolongée par un divergent et l'expansion du jet d'oxygène n'était donc absolument pas limitée à la sortie de l'étranglement. - L'expérience avait montré que, dans ces conditions, la buse se recouvrait d'une couche d'oxydes réfractaires à base d'oxyde de chrome. Cette couche se déposait principalement pendant la période de formation puis de main- tien de l'émulsion gaz/fonte liquide. Une analyse d'une telle couche avait donné par exemple comme composition Cr203 50 % (en poids) PeO 20 % SiO2 10 % A123 7% MgO 6% CaO 6% -5- On voit, d'après cet exemple, que cette couche résultait essentiellement de l'oxydation des composants de la fonte au chrome, avec intervention de seulement quelques pour cents de chaux provenant du laitier initialement introduit - alumine et magnésie venaient du garnissage. On avait constaté que ce dépôt tendait à entourer l'orifice de la buse et à former un en- tonnoir plus ou moins bien défini autour de cet orifice. Or. a eu l'idée de réaliser une buse présentant un divergent, à la fois pour essayer d'améliorer l'efficacité du jet et aussi pour éviter les ris- ques de perturbation de ce jet par des dépôts d'oxydes réfractaires proje- tés à partir de la fonte liquide. On a alors réalisé des buses dont la for- me générale est représentée figure 1. Ces buses comportent une entrée (1) raccordée à la canalisation d'arrivée d'oxygène, puis un col cylindrique (2) d'environ 2 mm de diamètre et 20 mm de long et, enfin, un divergent tronconique (3) dont l'angle au sommet al est d'environ 100 suivant l'en- seignement de l'ouvrage "BOF Steelmaking" cité plus haut. Les résultats d'essais de ces buses ont été négatifs. On constatait, effec- tivement, qu'il ne se formait pas de projections d'oxydes à l'intérieur du divergent mais on n'arrivait pas à former l'émulsion gaz/fonte liquide de façon reproductible et stable. On a alors entrepris des essais afin de préciser en particulier l'influence de l'angle au sommet du divergent tronconique sur la poussée du jet à débit constant. La figure 2 donne des résultats de tels essais dans le cas d'une série de huit buses de mêmes caractéristiques que celles de la figure 1 excepté l'angle du divergent. La buse n0 1 ne comportait pas de divergent, les buses 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 comportaient des divergents tronconiques de 4 mm de hauteur dont les angles au sommet étaient respectivement de 41, 53, 61, 65, 69, 77 et 1000. Trois séries d'essais ont été faites pour trois niveaux de débits diffé- rents en oxygène: 172, 181 et 193 Nl/mn. On mesurait pour chaque essai la poussée en N exercée par le jet sur le plateau d'une balance disposé à une distance d'environ 3 cm de l'orifice. Les courbes 1, 2 et 3 tracées respectivement pour les débits de 193, 181 et 172 Nl/mn montrent chaque fois l'existence d'un même point singulier dans -6- le cas du divergent de 650. Bien que ce point singulier corresponde à une poussée minimale, on a eu l'idée de réaliser suivant l'invention des buses pour la décarburation des s fontes par jet d'oxygène supersonique, comportant un divergent tronconi- que dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 700 et, de préférence, compris entre 62 et 66 , l'angle de 650 correspondantà la précision des mesures près, à la poussée minimale, dans les conditions de l'essai. La figure 3 représente une buse suivant l'invention. Elle comporte une entrée (4) et un col (5) dont les caractéristiques sont semblables à cel- les de l'entrée (1) et du col (2) de la figure 1. Par contre, le diver- gent tronconique (6) présente un angle au sommet a2 de 65 . On a constaté qu'il est possible au moyen d'une telle buse de provoquer de façon tout à fait reproductible, l'émulsion des fontes au chrome au moyen d'un jet d'oxygène supersonique, suivant le procédé décrit dans la demande de bre- vet citée plus haut. De plus, cette émulsion,une fois formée, présente une grande stabilité et se maintient jusqu'à décarburation finale de la fonte, c'est-à-dire jusqu'à une teneur en carbone voisine de 0,2 %. Il est possible, sans qu'on puisse l'affirmer, que l'efficacité particulière des divergents à angle de 60 à 70 et, de préférence compris entre 62 et 660, soit due à la turbulence particulièrement importante provoquée dans l'écoulement de l'oxygène par cette forme de divergent. On a alors étudié l'influence de l'angle au sommet du divergent sur les rendements moyens en Cr et en Fe de l'opération de décarburation. Les essais avaient en effet montré que, généralement, une grande stabilité de formation et de maintien de l'émulsion gaz/fonte liquide s'accompa- gnait de rendements très élevés en Fe et Cr. Ces rendements sont calcu- lés en % en poids en rapportant les quantités de Fe et Cr contenues dans l'acier obtenu après décarburation à celles contenues initialement dans la fonte. L'exemple ci-après donne les résultats d'une série d'essais de décarbura- tion de fonte effectués de façon identique en faisant varier seulement les angles de divergent des buses. On a préparé une série de six buses du même type que celle-de la figure 7- 3, mais ayant chacune un divergent tronconique d'angle au sommet diffé- rent. Les six valeurs d'angle au sommet ainsi réalisées sont: 41 , 53 , 610, 650, 690 et 77 . Chacune de ces buses comporte un col cylindrique de 2 mm de diamètre et 20 mm de long et la hauteur du tronc de cône du diver- gent est dans tous les cas de 4 mm. Au moyen de chacune de ces buses, on a effectué de trois à neuf coulées de fonte au chrome suivant un mode opératoire unique similaire à celui déjà décrit dans la demande française n0 80 01809, pages 6 et 7. On a élaboré un lot de fonte homogène ayant la composition suivante Cr 17 %, C 6 %, Si 0,3 %, Et 0,3 %, S Pour chaque essai, on porte à 1380'C une qantité de 60 kg de cette fonte dans un four comportant un chauffage par induction, la surface de la fonte liquide étant recouverte de 340 gr de chaux. On injecte alors de l'oxygène au moyen d'une lance verticale avec un débit d'environ 180 Nl/mn. On uti- lise une des six buses qui viennent d'être décrites et la distance verti- cale entre l'extrémité de la buse et le bain est de 26 mm. L'oxygène ainsi éjecté entre en réaction avec le bain et on peut observer trois phases suc- cessives Dans une première phase, l'oxygène réagit principalement à la surface du bain de fonte en oxydant de préférence Cr, Si et Fe: au fur et à mesure que les oxydes formés qui contiennent en majeure partie du Cr203 s'accutu- lent à la surface du bain, une réaction secondaire de réduction de ces oxydes par le carbone s'amorce. La vitesse de cette réaction de réduction s'accroît peu à peu en même temps que la température s'élève jusqu'à envi- ron 1650'C vers la dixième minute. Le CO formé se dégage pendant ce temps et brûle en donnant des flammes. Dans une deuxième phase, à partir de la onzième minute, la réduction des oxydes, principalement de l'oxyde de chrome, par le carbone devient plus rapide que la formation de ces oxydes. Dans cette période de vive réaction, la température s'élève encore, de façon cependant moins rapide. A partir de la quinzième minute environ, la vitesse de décarburation se stabilise, la teneur en carbone, qui est alors d'environ 4 %, continue à décroître au rythme d'à peuprès 0,3 % par minute et en même temps, on observe une ré- -8- duction correspondante de l'oxyde de chrome. Ce mécanisme se poursuit jusque vers la vingtième minute: la température du bain atteint alors environ 1750'C tandis que la teneur en C s'est abaissée à environ 2,9 t. A la fin de cette deuxième phase, les oxydes métalliques formés initia- lement sont presque complètement réduits. Vers la vingtième minute, les conditions sont réunies pour le démarrage d'une troisième phase, qui permettra d'abaisser la teneur en carbone jus- que vers 0,2 %. Au début de cette troisième phase, la température du bain de fonte est très élevée. Dans ces conditions, en maintenant inchan- gées les conditions de débit d'oxygène et de distance entre l'extrémité de la buse et le bain de fonte, on observe la formation, à partir du bain de fonte lui-même, d'une émulsion entre gaz et fonte qui recouvre rapide- ment la surface du bain puis se développe en épaisseur jusqu'à doubler le volume initial de la fonte. Tout se passe comme si la fonte elle-même, sous l'action du jet d'oxygène et de la formation de CO, par réaction di- recte de l'oxygène avec le carbone contenu dans cette fonte, entrait en ébullition dans toute sa masse, grâce aux conditions physico-chimiques réa- lisées. Au sein de l'émulsion ainsi formée, les vitesses de réaction sont élevées, ce qui permet la poursuite de la décarburation à un rythme rapide jusqu'à une teneur finale en carbone d'environ 0,2 tô qui est atteinte à la vingt neuvième minute. La température est d'alors d'environ 18200C et on arrête le soufflage d'oxygène. La pesée de l'acier obtenu après solidification et l'analyse de sa teneur en fer et en chrome permettent de déterminer les rendements en Fe et Cr correspondants. Les figures 4 et 5 permettent d'observer les variations de ces rendements en fonction de l'angle du divergent tronconique de la buse. On voit très clairement que ces rendements passent par un maximum pour la buse qui pré- sente un angle de 650. Bien que certains facteurs puissent modifier légè- rement l'angle optimal du divergent tronconique suivant l'invention, celui- ci est, d'après les essais effectués, compris entre 62 et 66 dans le do- maine des conditions opératoires utilisables. Avec une buse de 650 d'angle au sommet, les dépôts sur la paroi interne de la buse dûs à des projections d'oxydes réfractaires à partir du métal li- quide sont faibles. Des essais complémentaires ont montré qu'on peut encore réduire ces dé- Dôts et réduire aussi la dispersion du jet en prolongeant la partie tron- conique du divergent par une surface de révolution autour du même axe, dont la génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur. Il convient, de préférence, que la tangente à la courbe génératrice de cet- te partie de la buse soit confondue à l'origine avec la génératrice du cône. A l'extrémité de la génératrice, la tangente peut devenir parallèle à l'axe ou proche du parallélisme. La figure 6 présente une buse suivant l'invention ainsi perfectionnée. On voit l'entrée (7), le col cylindrique (8) et le divergent tronconique (9) d'angle au sommet (a2) qui sont semblables aux parties correspondantes de la buse suivant l'invention de la figure 3. La partie (10) qui prolonge la partie tronconique (9) comporte une concavité tournée vers l'axe. Au point (11) de raccordement entre le tronc de cône et la partie (10), la tangente à la génératrice de celle-ci se confond avec la génératrice du tronc de cône. Au point (12) à l'extrémité de la buse, la tangente à la génératrice de la partie concave est presque parallèle à l'axe de la buse. Une telle buse perfectionnée suivant l'invention présente l'avantage non négligeable, grâce à la forme de son extrémité de sortie, d'éliminer les risques de pénétration de projections d'oxydes ou même de métal à partir du bain de métal fondu. La buse suivant l'invention peut être réaliséeen divers matériaux. On préfère souvent utiliser le cuivre. Il est important d'usiner convenable- ment les surfaces intérieures et de leur donner un bon état de surface pour éviter l'accrochage de particules d'oxydes ou de métal projetées. En général, on raccorde la buse à une lance métallique refroidie par un fluide convenable. Bien que les exemples qui viennent d'être donnés portent sur des essais effectués sur de petites quantités, on a vérifié que les résultats obte- nus sont extrapolables à l'échelle industrielle. C'est ainsi que les angles au sommet des divergents tronconiques suivant l'invention condui- sent aussi à des résultats optimaux dans le cas des buses de forte section utilisées pour le traitement des fontes en quantités industrielles. -10 De plus, bien que la buse qui fait l'objet de l'invention ait été expéri- mentée principalement dans le cas de la décarburation des fontes au chro- me, des essais ont montré qu'elle pouvait être utilisée aussi avantageu- sement pour la décarburation de tous types de fontes. C'est ainsi que, de la façon la plus générale, on peut utiliser des lan- ces à oxygène équipées de buses suivant l'invention pour la décarburation des fontes en convertisseur basique par des procédés tels que le LD ou par des procédés analogues. Dans ces différents cas, l'utilisation de buses suivant l'invention per- met d'accroître l'efficacité et la rapidité de la décarburation et permet aussi d'augmenter le rendement en fer. REVENDICATIONS 1 / - Nouvelle buse pour la décarburation des fontes par jet d'oxygène su- personique, caractérisée en ce qu'elle comporte un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 700. 2 / - Nouvelle buse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le divergent tronconique a un angle au sommet compris entre 62 et 660 et, de préférence, voisin de 65 . ou2 / - Nouvelle buse suivant la revendication l caractérisée en ce que son divergent comporte au-delà de la partie tronconique une surface de révolution autour du même axe dont la courbe génératrice présente une con- cavité orientée vers l'intérieur. / - Application de la nouvelle buse suivant l'une des revendications 1 à 3, à la décarburation des fontes au chrome. / - Application de la nouvelle buse suivant l'une des revendications 1 à 3, à la formation d'émulsions stables gaz/fonte ou gaz/laitier/fonte.