[0001] L'invention concerne un procédé qui permet d'améliorer le fonctionnement des tuyères,
assurant l'injection d'oxygène à travers le fond d'un convertisseur, dans un métal
en fusion. Ce procédé est tout particulièrement utile pour la fabrication d'acier
par affinage de la fonte.
[0002] On saitque l'injection d'oxygène au fond d'un convertisseur a l'avantage d'améliorer
la qualité de l'acier, par rapport à une injection d'air, mais que si l'on ne prend
pas de mesures spéciales, elle a l'inconvénient d'entraîner près des tuyères une usure
rapide du garnissage réfractaire qui constitue la surface interne du convertisseur.
Pour réduire cette usure, on a déjà proposé, dans le brevet américain No. 3 706 549
de combiner l'injection d'oxygène avec l'injection concentrique d'un gaz protecteur.
Contrairement aux procédés encore antérieurs qui utilisaient de l'oxygène pur, l'injection
d'oxygène est alors effectuée dans le bain de métal en fusion en dessous de la surface
de celui-ci, par des tuyères qui traversent le garnissage réfractaire du fond du convertisseur.
Chaque tuyère comporte alors en fait deux buses concentriques qui terminent deux tubes
coaxiaux. L'oxygène gazeux est injecté par le tube interne, tandis que l'espace annulaire
compris entre le tube interne et le tube externe est utilisé pour l'admission d'un
gaz de protection. Celui-ci est en général constitué par un hydrocarbure. Il forme
une gaine protectrice autour du jet d'oxygène dans la zone de contact entre la paroi
réfractaire et le métal en fusion, et grâce à cette protection la réaction vive qui
se produit avec le métal en\fusion se trouve éloignée de la paroi réfractaire. Le
retard ainsi imposé à la réaction exothermique de l'oxygène et du métal fondu est
suffisant pour conserver intact le garnissage réfractaire.
[0003] On supposait jusqu'à présent, comme l'indique le brevet américain cité, que l'efficacité
du gainage par un gaz protecteur était due à la décomposition endothermique de ce
gaz, généralement un hydrocarbure, aux températures élevées régnant dans le bain de
métal en fusion. Cependant, l'amélioration apportée par cette technique est encore
insuffisante, en particulier en ce qui concerne la durée de vie du garnissage réfractaire,
les tuyères d'injection restant sensibles à l'érosion.
[0004] La présente invention vise donc à améliorer la durée de vie des garnissages réfractaires
et des dispositifs d'injection par rapport à ce que permet déjà le procédé connu d'affinage
d'un métal fondu suivant lequel de l'oxygène est injecté dans le bain de métal en
fusion, à un niveau inférieur à celui de la surface libre de celui-ci, sous forme
d'un jet qui est entouré par un jet annulaire de gaz protecteur injecté simultanément.
Le procédé selon l'invention se caractérise en ce que l'on choisit les vitesses relatives
de l'oxygène et du gaz protecteur à l'injection, de manière à réduire autant que possible
le mélange des deux jets par turbulence.
[0005] A l'origine de l'invention, on a constaté que le gaz protecteur, constitué par exemple
par un hydrocarbure, intervient de manière essentielle dans le procédé par son aptitude
à repousser l'oxygène. En refoulant l'oxygène qui a tendance à diffuser du jet central
dans la gaine annulaire de gaz protecteur, ce gaz protecteur a pour effet d'empêcher
que la réaction de l'oxygène avec le métal en fusion ait lieu à l'interface entre
le garnissage réfractaire et le métal en fusion et à l'interface entre le métal en
fusion et les buses d'injection. Cet effet de refoulement joue un rôle important dans
l'augmentation de la durée de vie des tuyères et l'on a constaté qu'il y avait tout
intérêt à concevoir les tuyères de sorte qu'il existe le moins possible de turbulence
entre le jet central d'oxygène et le jet annulaire de gaz protecteur. On réduit ainsi
les remous d'oxygène et le mélange de l'oxygène avec le jet de gaz protecteur. De
la sorte, le jet de gaz protecteur conserve son efficacité sur une distance importante
à partir des buses d'injection, d'où la protection accrue des tuyères et du garnissage
réfractaire. Cette réduction du mélange turbulent des jets est obtenue grâce à un
choix approprié des vitesses relatives à la sortie des tuyères.
[0006] Conformément à l'invention, il est particulièrement avantageux d'imposer à l'entrée
dans le bain de métal fondu un rapport compris entre 0,5 et 1,5 entre la vitesse du
jet de gaz protecteur et la vitesse du jet d'oxygène. Tout en maintenant le rapport
des vitesses dans cette gamme, il peut être avantageux, notamment dans le cas de gaz
protecteur évitant mal le mélange avec l'oxygène, tel que l'azote, l'anhydride sulfureux,
la vapeur d'eau le gaz carbonique ou l'argon, d'augmenter la quantité globale de gaz
protecteur par rapport à celle qui peut être suffisante dans le cas d'un hydrocarbure.
[0007] On décrira maintenant de manière plus précise les conditions de fonctionnement pratiques
qui permettent de respecter ces exigences, dans des modes de mise en oeuvre particuliers
de l'invention, choisis à titre d'exemples non limitatifs.
[0008] L'invention est considérée en particulier dans son application à l'affinage de la
fonte dans la fabrication de l'acier. Cette opération s'effectue dans un convertisseur
dont la paroi interne est constituée par un garnissage réfractaire. Le convertisseur
contient la fonte en fusion. Des tuyères d'injection de gaz traversent le fond du
convertisseur et débouchent à la surface interne du garnissage réfractaire, selon
l'une quelconque des dispositions qui sont décrites plus en détail dans le brevet
américain 3 706 549. Chaque tuyère est formée de deux tubes coaxiaux qui se terminent
par deux buses concentriques au ras de la surface du garnissage réfractaire. Les deux
tubes sont raccordés à l'extérieur du convertisseur à des sources d'approvisionnement
en gaz, de manière à permettre en fonctionnement d'admettre de l'oxygène pur par le
tube interne et d'injecter par l'espace annulaire compris entre le tube interne et
le tube externe un gaz protecteur qui est le plus souvent constitué par un hydrocarbure,
mais qui peut aussi être constitué par d'autres gaz tels que l'azote, l'anhydride
sulfureux, la vapeur d'eau, le gaz carbonique ou l'argon.
[0009] On notera que pour obtenir un rapport des vitesses des deux jets dans la gamme souhaitée
dans la mise en oeuvre de l'invention, il est préférable d'utiliser comme gaz protecteur
un gaz relativement peu endothermique, par exemple du gaz naturel plutôt que du propane.
La proportion du gaz protecteur par rapport à l'oxygène dans les débits nécessaire
est alors relativement importante. Elle peut encore être augmentée en utilisant un
gaz inerte comme l'azote, dont la proportion est alors de 22 à 30 % en volume par
rapport à l'oxygène. Dans le même but il est d'autre part avantageux de fixer un diamètre
de tube interne relativement important, par exemple compris entre 15 et 30 mm. Pour
le reste, il est souhaitable, comme dans le procédé décrit dans le brevet américain
antérieur, d'utiliser une pression de gaz protecteur qui soit comprise entre 1/4 et
2/3 de la pression de l'oxygène.
[0010] A titre d'exemple, le procédé peut être utilisé dans le cadre de l'affinage de la
fonte en injectant de l'oxygène et du gaz naturel par le fond du convertisseur contenant
le bain fondu dans les conditions suivantes :
[0011] Naturellement, l'invention n'est pas limitée à ces conditions particulières indiquées
à titre d'exemples. De même, le procédé selon l'invention n'est pas limité à l'affinage
de la fonte. Il peut aussi être utilisé avec avantage pour le traitement d'autres
métaux en fusion comme le plomb, l'étain, le nickel, le cobalt ou le cuivre.
1. Procédé d'affinage de métaux, comportant l'injection d'oxygène dans un bain de
métal en fusion, par des tuyères traversant le garnissage réfractaire d'un convertisseur
et débouchant à un niveau inférieur à celui du niveau libre de métal en fusion, et
l'injection simultanée d'un gaz protecteur en un ou plusieurs jets annulaires entourant
chacun un jet d'oxygène, caractérisé en ce que l'on règle les débits et les pressions
de l'oxygène et du gaz protecteur, en relation avec les dimensions des tuyères, de
manière à imposer un rapport compris entre 0,5 et 1,5 entre la vitesse du jet de gaz
protecteur et la vitesse du jet d'oxygène à la sortie des tuyères.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est sous forme
de fonte en fusion et le gaz protecteur est constitué par un hydrocarbure, l'azote,
l'anhydride sulfureux, la vapeur d'eau, l'argon ou le gaz carbonique.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz protecteur est du
gaz naturel.
