Procédé de traitement pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques pourvus d'éléments réfractaires perméables, et matériaux pour sa mise en oeuvre

Abstract

 Procédé de traitment pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques pourvus d'éléments réfractaires perméables pour l'injection contrôlée d'un fluide de brassage dans le bain de métal en fusion.
Ce procédé selon l'invention se caractérise en ce que, on prépare un béton réfractaire bien coulable, c'est-à-dire capable d'atteindre le fond du récipient à partir du bec en coulant le long de la paroi latérale, en ce que, aprés avoir vidé le récipient de son contenu, on y déverse le béton, le récipient étant en position basculée, puis on le redresse à la verticale pour assurer la répartition du béton sur le fond, et on le laisse sécher et assurer sa prise sur le fond tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage.
L'invention permet d'améliorer la perméabilité des éléments perméables neufs ou usagés et s'applique en particulier aux convertisseurs d'aciérie à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut.

Description

[0001] La présente invention se situe dans le domaine de l'élaboration des métaux, notamment de l'acier. Elle concerne plus précisément les récipients métallurgiques, particulièrement les convertisseurs d'affinage, dont le fond est pourvu d'éléments réfractaires perméables.

[0002] On connait des traitements métallurgiques qui consistent à soumettre un bain de métal en fusion à un brassage pneumatique par injection contrôlée d'un fluide de brassage, habituellement un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon, au travers d'éléments réfractaires perméables incorporés au revêtement réfractaire habituel du récipient contenant le bain et débouchant sous la surface de ce dernier. Plus généralement, ces éléments de soufflage sont logés dans le fond du récipient (FR-A-2.322.202, US n° 3.259.484).

[0003] L'application d'une telle technique de brassage à un convertisseur d'aciérie à l'oxygène d'affinage soufflé par le haut se développe actuellement dans le monde entier sous la dénomination commerciale "procédé LBE" (Lance - Brassage - Equilibre). Ce procédé tend à réaliser, comme son nom l'indique, l'équilibre entre métal et laitier et permet ainsi de cumuler, dans une large mesure, les avantages respectifs des procédés classiques d'affinage à soufflage d'oxygène par le haut et à soufflage d'oxygène par le bas.

[0004] De nombreuses solutions ont déjà été proposées visant à conférer aux éléments réfractaires une perméabilité sélective suffisante pour assurer un débit de fluide de brassage satisfaisant, tout en évitant une pénétration en sens inverse du métal en fusion. Parmi les diverses solutions proposées à cet égard, on peut noter en particulier celle décrite dans la demande de brevet européen publiée n° 0021861 et qui consiste à former des zones de passage de très faible dimension dans un matériau réfractaire compact habituel. Ceci est obtenu, soit en incorporant des corps étrangers longitudinaux (direction de soufflage) au sein d'une masse réfractaire monolithique, soit par juxtaposition de plaquettes réfractaires avec interposition entre elles de cales d'écartement calibrées.

[0005] Par ailleurs, ces éléments, comme tout matériau réfractaire, s'usent inévitablement au contact du métal en fusion. Cette usure est en outre accélérée en raison même du soufflage gazeux qui provoque des mouvements de convection très sensibles au niveau des éléments de soufflages et dont les effets induits se font également sentir sur la durée de vie du réfractaire classique environnant. Mais on réussit aujourd'hui, notamment grâce aux éléments de type évoqué ci-avant, à limiter leur vitesse d'usure à peu de chose près à celle du revêtement réfractaire classique constituant le fond, lequel retrouve ainsi une durée de vie comparable à celle qu'il présente dans les convertisseurs classiques à soufflage d'oxygène par le haut (type L.D).

[0006] Un autre problème se pose en pratique consistant dans le fait que la perméabilité des éléments de soufflage a tendance à diminuer en cours d'utilisation. Ce phénomène apparaît d'ailleurs quelque peu paradoxal, car il accompagne l'usure progressive normale du fond, et qu'on est donc en droit de penser que, les éléments s'usant pratiquement à la même vitesse que le fond, leur perméabilité devrait au contraire augmenter dans le temps, suite à une diminution des pertes de charge dans les espaces de soufflage.

[0007] Sinon à remplacer fréquemment les éléments perméables lorsque leur perméabilité ne permet plus de faire passer les débits de gaz voulus, (ce qui serait non seulement fortement pénalisant, mais encore ôterait tout l'intérêt procuré par une durée de vie des éléments égale à celle du fond), le problème revient à savoir s'il existe une méthode simple, efficace, et peu coûteuse permettant de réhausser le niveau de perméabilité de ces éléments, sans avoir à intervenir directement sur eux, et notamment sans devoir les remplacer par des éléments neufs.

[0008] Dans le but d'apporter une solution à ce problème, l'invention à pour objet un procédé de traitement pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques, notamment les convertisseurs d'aciérie à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut, lesdits fonds étant pourvus d'éléments réfractaires perméables pour l'introduction contrôlée d'un fluide de brassage dans le bain de métal en fusion contenu dans le récipient, procédé caractérisé en ce que, après avoir vidé le récipient de son contenu au terme de l'affinage d'une charge quelconque, on dépose dans le fond un béton en matériau réfractaire compatible avec le matériau réfractaire constitutif du fond, ledit béton présentant une fluidité suffisante pour assurer son étalement sur le fond ; et en ce que on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage.

[0009] Pour fixer les idées, dans le cas d'un convertisseur d'une capacité supérieure à 200 t, on pourra maintenir dans les éléments une pression assurant un débit de fluide de l'ordre de 30 m /h environ par élément, compté en m 3 gazeux.

[0010] Conformément à un mode opératoire particulier préféré, on prépare un béton réfractaire bien coulable, capable d'atteindre le fond du récipient à partir du bec en coulant le long de la paroi latérale ; on déverse ce béton dans le récipient par le bec, le récipient étant en position inclinée, par exemple en position intermédiaire entre la position redressée et la position complètement basculée qu'il présente en fin de coulée du métal en fusion, puis on le redresse à la verticale pour assurer la répartition du béton sur le fond et on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour assurer un débit de fluide de brassage.

[0011] Le cas échéant, on pourra faire basculer le récipient de part et d'autre de sa position verticale pour parfaire l'étalement du béton sur le fond.

[0012] Dans ce qui suit, on considérera que le récipient métallurgique est un convertisseur d'affinage à l'oxygène soufflé par le haut au moyen d'une lance verticale émergée, étant entendu que l'invention s'applique également à tout autre récipient métallurgique, par exemple, les poches ou les fours à arc.

[0013] En outre, on convient de qualifier de "béton" aussi bien les bétons traditionnels à prise hydraulique à froid (température d'utilisation inférieure à 100°C) que les produits réfractaires goudronnés, tels que de la dolomie ou de la magnésie goudronnées par exemple, donc à liaison "carbone" et que l'on met en oeuvre généralement entre 130 et 180°C environ.

[0014] Par l'expression "un béton en matériau réfractaire compatible avec le matériau réfractaire constitutif du fond", on entend désigner toute matière réfractaire capable, compte tenu de la nature du fond, de coller sur ce dernier lors de sa solidification. Il s'agit par exemple d'un béton magnésien si le fond a une prédominance en magnésie, ou un béton dolomitique si le fond est à base de dolomie, etc...

[0015] En outre, par l'expression "béton réfractaire bien coulable" on entend qualifier une préparation de ce dernier qui le rend plus fluide que la fluidité qui résulterait d'une préparation conforme aux prescriptions du fabricant de béton. Autrement dit, il s'agit généralement de rendre ce béton bien humide, c'est-à-dire contenant un excès d'eau par rapport aux prescriptions habituelles de façon à atteindre une teneur de l'ordre de 10 % en poids.

[0016] Par ailleurs, il est clair que plus l'eau sera en excès plus le temps de séchage sera long.

[0017] D'un autre côté, la limite inférieure du taux d'humidité à adopter doit tenir compte de la capacité, c'est-à-dire de la taille du récipient, notamment de sa hauteur et du diamètre du fond, ainsi que de sa masse thermique, afin que le béton puisse, en étant introduit par l'extrémité ouverte supérieure (le bec) atteindre le fond, puis une fois le fond atteint, s'y étaler avant de se solidifier.

[0018] Pour fixer les idées, des séries d'essais effectués sur un convertisseur de 240 t ont montré que la teneur en eau se situe préférentiellement entre 8 et 10 % en poids, c'est-à-dire 1 à 2 points de plus que ce que préconise au maximum le fabricant (jusqu'à 7 Â, mais plus généralement compris entre 3 et 6 %).

[0019] - On va maintenant donner trois exemples de compositions pondérales de bétons utilisables selon l'invention. Les deux premiers sont destinés à recouvrir un fond de convertisseur en briques de magnésie, le dernier peut être prévu pour un fond dolomitique.

[0020] Comme on le voit, la méthode selon l'invention est simple, peu coûteuse, et ne pose aucune difficulté non-maîtrisée. La présence d'éléments réfractaires perméables logés dans le fond n'implique aucune autrL exigence au cours du séchage du béton que celle qui consiste à maintenir au travers d'eux un débit minimal de fluide de brassage, débit que l'on peut qualifier "de sécurité".

[0021] De plus, ce débit que l'on peut considérer comme perdu (c'est-à-dire non utilisé pour le traitement du bain proprement dit) n'alourdit que très faiblement le coût global de l'opération, compte tenu de sa valeur relativement minime par rapport à celle mise en oeuvre lors du brassage du bain (de l'ordre de 150 m³/h par élément). On peut même dire que les conséquences sur le coût sont pratiquement négligeables, si on prend soin de choisir un gaz largement disponible dans le commerce, comme l'azote par exemple, ou le cas échéant, un gaz de récupération produit dans l'usine elle-même, comme le CO_Z.

[0022] Une fois séché, le béton est en prise mécanique sur le fond et forme une couche réfractaire pouvant atteindre dans la zone centrale, une épaisseur moyenne comprise entre 5 et 20 cm environ (convertisseur de 240 t). Le convertisseur est alors prêt pour le traitement de nouvelles charges. On constate dès la première charge traitée que, non seulement la perméabilité du fond est conservée, mais qu'elle a de plus très sensiblement augmenté par rapport au niveau qu'elle avait avant l'apport du béton.

[0023] On rappelle à toutes fins utiles, qu'un indicateur possible du "niveau" de perméabilité peut être constitué par le rapport pression/débit de fluide de brassage dans la conduite d'amenée de ce dernier à l'élément réfractaire perméable. Ce rapport peut être déterminé à partir d'une valeur de référence, l'élément perméable étant pris à l'état neuf avec soufflage à vide ou au cours de l'affinage de la première charge au convertisseur.

[0024] L'explication des résultats obtenus n'est pas encore totalement élucidée :

- l'observation semble montrer, que la préservation de la perméabilité est assurée par la présence d'un réseau de canaux reliant la face de soufflage de l'élément à la surface libre au fond au travers de la couche de coulis rapportée, ce réseau se formant lors du séchage de cette couche grâce au soufflage permanent du fluide de brassage.

- quant à l'amélioration de cette perméabilité, il pourrait s'agir d'un phénomène interne à l'élément réfractaire perméable lui-même. On est en effet en droit de penser que l'origine se trouve vraisemblablement dans les effets de choc thermique provoqués au sein des éléments de soufflage par la coulée de la masse de béton froid (température inférieure à 100°C ou à 200°C selon la nature du béton) et amplifiés encore par le flux permanent de fluide de brassage. On peut supposer que les contraintes thermiques qui en résultent au sein des éléments de soufflage par contraction de la matière provoque, en se libérant, une formation de micro-fissures s'amorçant préférentiellement en paroi des passages originels prévus pour le fluide de brassage.

[0025] Ces hypothèses s'appuient, entre autres, sur le fait que l'on constate statistiquement une amélioration plus importante de la perméabilité de ces éléments lorsque toute la masse de béton liquide destiné à recouvrir le fond est coulé rapidement, en une seule fois, dans le récipient (ce mode opératoire constituant d'ailleurs une mise en oeuvre préférée de l'invention).

[0026] D'un autre côté, il a été constaté, compte tenu de l'importante masse thermique du fond, que la température du béton apporté n'influait pas de façon sensible sur la perméabilité.

[0027] Mais on peut également penser à une explication purement aéromécanique, le fluide de brassage pouvant pour une part circuler latéralement dans des zones de moindre perte de charge qui se forment éventuellement à l'interface de la couche de béton déposée et du fond réfractaire préexistant.

[0028] La technique selon l'invention peut-être mise en oeuvre à tout moment, aussi bien entre deux campagnes d'affinage, qu'entre deux charges d'une même campagne, ou même avant la première charge, sur un convertisseur à l'état neuf.

[0029] On comprend qu'accessoirement l'invention assure également une réparation ou une rénovation des fonds usés.

[0030] Par ailleurs, l'invention s'applique quelque soit le type d'éléments réfractaires perméables montés dans le fond. Il doit être cependant souligné, que d'excellents résultats ont été obtenus avec des éléments tels que ceux évoqués au début, et dont on pourra avoir plus ample connaissance en se reportant à la description détaillée qui en est faite dans la demande de brevet européen n° 0021861 déjà citée.

Revendications

1°) Procédé de traitement pour améliorer la perméabilité des fonds de récipients métallurgiques, notamment de convertisseurs d'aciérie à soufflage d'oxygène d'affinage par le haut, lesdits fonds étant pourvus d'éléments réfractaires perméables pour l'injection contrôlée d'un fluide de brassage dans le bain de métal en fusion, procédé caractérisé en ce que, après avoir vidé le récipient de son contenu, on dépose dans le fond un béton en matériau réfractaire compatible avec celui constitutif du fond, ledit béton présentant une fluidité suffisante pour assurer son étalement sur la surface du fond, et en ce qu'on laisse le béton sécher et assurer sa prise, tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage.

2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on prépare un béton réfractaire bien coulable, c'est-à-dire capable d'atteindre le fond du récipient à partir du bec en coulant le long de la paroi latérale ; en ce que, après avoir vidé le récipient de son contenu, on déverse ce béton dans le récipient par le bec, le récipient étant en position basculée, puis on le redresse à la verticale pour assurer la répartition du béton sur le fond et on le laisse sécher et assurer sa prise tout en maintenant dans les éléments réfractaires perméables une pression suffisante pour procurer un débit permanent de fluide de brassage.

3°) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, après avoir déverser le béton dans le récipient, on fait basculer ce dernier de part et d'autre de sa position verticale afin de parfaire l'étalement du béton sur le fond.

4°) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, on maintient dans les éléments perméables, au cours du séchage et de la prise du béton coulé, une pression suffisante pour assurer un débit permanent de fluide de brassage de l'ordre de 30 m³/h environ par élément, compté en m³ gazeux.

5°) Béton réfractaire magnésien hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente une teneur pondérale en eau comprise entre 8 et 10 %.