[0001] La présente invention se rapporte à l'élaboration de l'acier par préaffinage de la
fonte.
[0002] On sait que le convertisseur d'affinage à l'oxygène est un réacteur qui permet, en
principe, d'éliminer jusqu'à des teneurs très faibles les éléments oxydables de la
fonte, dont les principaux sont le carbone, le phosphore et le silicium. Cependant,
malgré des progrès importants (soufflage d'oxygène par le fond, ou soufflage mixte,
par le fond et par le haut), il semble toujours difficile d'obtenir des résultats
bien reproductibles, d'une installation d'affinage à une autre.
[0003] Par ailleurs, la tendance du marché vers des nuances d'acier de plus en plus pures
implique un accroissement sensible du prix de revient pour ces nuances élaborées au
convertisseur, ou même, parfois, une impossibilité de pouvoir réaliser au convertisseur
seul toutes les spécifications demandées.
[0004] On sait qu'une réponse à ces problèmes consiste à séparer dans le temps et dans l'espace
les diverses opérations d'oxydation qui permettent de passer de la fonte à l'acier
(désiliciation, déphosphoration, décarburation) de façon à les optimiser séparément.
[0005] Les opérations de désiliciation et de déphosphoration menées dans ces conditions
caractérisent ce que l'on dénomme désormais, le prétraitement, ou plus précisément
le préaffinage de la fonte.
[0006] Les installations connues de préaffinage procèdent toutes par des opérations séquentielles
(désiliciation, puis déphosphoration, puis décarburation) sur des quantités de fonte
discrètes et répétitives (voir exemple GB-A-2 072 221).
[0007] Une partie de la masse de fonte liquide à prétraiter est en effet transvasée successivement
dans plusieurs récipients métallurgiques indépendants, plus ou moins spécialisés chacun
pour la phase de traitement qui lui est dévolue, ou bien placée dans un récipient
unique, généralement une poche droite, que l'on amène auprès de postes fixes de traitements
successifs répartis dans l'atelier. (Demande de brevet français n° 2 439 821 de NSC).
[0008] Quel que soit leur type, ces installations ne donnent pas encore entière satisfaction.
En particulier, les transferts de la fonte dans les différents récipients, ou d'un
poste de traitement au suivant, occasionnent des temps d'attente, donc également des
pertes thermiques, et bien souvent même une détérioration de la "mise au mille métal"
en raison des opérations de décrassages intermédiaires des laitiers d'épuration formés
dans chaque phase opératoire de préaffinage. De plus, comme le fonctionnement est
discontinu, chacune de ces phases est cyclique et présente de ce fait des périodes
de régime transitoire qui sont malaisés à bien maîtriser et qui pénalisent l'efficacité
du traitement global, et ceci même à supposer que l'ensemble des phases successives
puisse être correctement coordonné dans le temps.
[0009] La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients. Pour ce faire,
elle a pour objet une installation pour l'élaboration de l'acier par préaffinage de
la fonte, comprenant un étage de désiliciation et de déphosphoration, suivi d'un étage
de décarburation, caractérisé en ce que l'étage de désiliciation et de déphosphoration
est constitué par au moins une unité close formant :
- un réacteur dans lequel la fonte à préaffiner est destinée à former un bain dont
la surface est maintenue à un niveau prédéterminé N1, ledit réacteur présentant, d'une part, une partie supérieure, au-dessus du niveau
N pourvu de moyens pour introduire la fonte à préaffiner, de moyens pour introduire
des agents d'oxydation du silicium et du phosphore, ainsi que des agents de formation
d'un laitier de désiliciation et de déphosphoration, et de moyens pour créer une atmosphère
oxydante au-dessus du bain et, d'autre part, une partie inférieure, en-dessous du
niveau N,, pourvue de moyens de brassage du bain métallique ;
- et un décanteur séparé du réacteur par une cloison comportant une ouverture de communication
en-dessous du niveau du bain N et dont l'extrémité supérieure libre, dépassant au-dessus
dudit niveau N , constitue un seuil de débordement du laitier fvrmé dans le réacteur,
ce décanteur comportant, d'une part, une ouverture de sortie située en-dessous du
niveau N et communiquant avec un conduit de liaison destiné à permettre la circulation
d'un courant de fonte désiliciée et déphosphorée vers l'étage de décarburation et,
d'autre part, un déversoir situé au-dessus du niveau N pour évacuer à l'extérieur
le laitier de désiliciation et de déphosphoration décanté provenant du réacteur.
[0010] De préférence, l'étage de décarburation est constitué par une enceinte close formant
:
- un second réacteur dans lequel la fonte à décarburer provenant du conduit de liaison
avec le décanteur est destinée à former un bain dont la surface libre est maintenue
à un niveau prédéterminé N2' ce réacteur comportant une ouverture d'entrée située en-dessous du niveau N2 et communiquant avec ledit conduit de liaison ainsi que des moyens situés au-dessus
du niveau N2 pour insuffler un gaz oxydant de décarburation de la fonte ;
- et un second décanteur séparé du réacteur par une cloison étanche dont l'extrémité
supérieure libre, dépassant au-dessus du niveau N2, constitue un seuil de débordement d'une émulsion métal-laitier formée dans le réacteur
sous l'action de l'insufflation dudit gaz oxydant, ledit décanteur présentant un déversoir
pour évacuer à l'extérieur le laitier décanté sur le bain métallique et une ouverture
sous le niveau du bain métallique dans le décanteur pour la sortie d'un courant d'acier
liquide.
[0011] L'installation conforme à l'invention est conçue pour fonctionner en continu et peut
donc avoir un rendement nettement supérieur à celui des installations actuelles. Par
ailleurs, comme la fonte peut circuler librement de l'étage de désiliciation et de
déphosphoration à l'étage de décarburation, les dispositifs de transfert utilisés
jusqu'ici peuvent être purement et simplement supprimés, ce qui permet par conséquent
une réduction appréciable des investissements.
[0012] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étage de désiliciation
et de déphosphoration comprend une unité close de désiliciation et une unité close
de déphosphoration comportant chacune un réacteur séparé d'un décanteur par une cloison
comportant une ouverture de communication au-dessous du niveau prédéterminé et dont
l'extrémité supérieure est située au-dessus de ce niveau et forme un seuil de débordement
du laitier, le réacteur de désiliciation comportant des moyens pour introduire la
fonte à préaffiner, des moyens pour introduire les agents de désiliciation, et des
moyens de brassage du bain métallique ; le réacteur de déphosphoration comportant
des moyens pour introduire les agents de déphosphoration, des moyens pour créer une
atmosphère oxydante, et des moyens de brassage du bain métallique ; les décanteurs
de désiliciation et de déphosphoration comportant des moyens pour évacuer continuement
le laitier qu'ils renferment ; le décanteur de désiliciation étant relié au réacteur
de déphosphoration par un conduit de transfert naturel de la fonte tandis que le décanteur
de déphosphoration est relié à un conduit de liaison immergé communiquant avec l'étage
de décarburation.
[0013] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la
description qui sera donnée ci-après à titre d'exemple nullement limitatif en référence
aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en plan schématique d'une installation conforme à l'invention
;
- la figure 2 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne II-II de la
figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne III-III de
la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en plan schématique d'une variante de l'installation représentée
sur la figure 1 ;
- et la figure 5 est une vue en coupe schématique effectuée selon la ligne IV-IV de
la figure 4.
[0014] L'installation représentée sur les figures 1 à 3 comprend un étage de désiliciation
et de déphosphoration constituée par une enceinte close A dans laquelle la fonte à
préaffiner est destinée à former un bain en fusion AR atteignant un niveau prédéterminé
N
1 sensiblement constant, un étage de décarburation formé également par une enceinte
close B communiquant avec la sortie de l'étage A, et un récipient métallurgique C
prévu le cas échéant pour mettre à la nuance l'acier sortant de l'étage B.
[0015] L'étage de désiliciation et de déphosphoration A comprend un premier réacteur 1 et
un premier décanteur 2 contigu séparés l'un de l'autre par une première cloison 3
comportant une ouverture de communication 4 au-dessous du niveau N et dont l'extrémité
supérieure est au-dessus de celui-ci.
[0016] Dans sa partie supérieure au-dessus du bain métallique, le premier réacteur comporte
une goulotte 5 pour introduire la fonte liquide à préaffiner, une conduite 6 pour
introduire des agents de désiliciation et de déphosphoration à l'état solide divisé,
une porte 7 pour introduire éventuellement des additions refroidissantes telles que
des ferrailles, des pré- réduits ou du minerai, etc ..., et une lance 8 soufflant
de l'oxygène gazeux de préférence techniquement pur pour créer une atmosphère oxydante
au-dessus du bain de fonte. Ces différents moyens étant de conception classique, on
ne décrira pas leur structure. On précisera toutefois que la lance 8 pourrait fort
bien être remplacée par une tuyère fixe en paroi, puisque si le bain est bien maintenu
à un niveau constant Ni la mobilité de l'injecteur d'oxygène n'est plus souhaitable.
[0017] On précisera par ailleurs à toutes fins utiles que les agents de désiliciation sont
généralement des oxydes métalliques naturels tels que du minerai de fer ou de manganèse,
et les agents de déphosphoration, des composés basiques tels que du carbonate de sodium,
de la chaux ou du carbonate de calcium, qui peuvent, le cas échéant, se présenter
sous la forme d'agglomérés préparés spécialement et dont la basicité est ajustée à
la valeur souhaitée.
[0018] Dans sa partie située au-dessous du niveau N
1, et plus précisément dans son fond, le premier réacteur 1 comporte en outre des moyens
de brassage 9 du bain métallique, ces moyens pouvant par exemple être constitués par
des injecteurs de fluide de brassage tels que des éléments réfractaires perméables,
reliés à une alimentation (non représentée) en gaz sous pression, tel que de l'azote
ou de l'argon par exemple.
[0019] Les éléments réfractaires perméables peuvent avantageusement être du type décrit
dans le brevet européen n° 0 021 861.
[0020] Le premier décanteur 2 comprend quant à lui une ouverture de sortie 10 située au-dessous
du niveau N et reliée à un conduit de liaison 11, tel qu'un siphon destiné à transférer
naturellement et en continu la fonte désiliciée et déphosphorée AD du décanteur vers
l'étage de décarburation B. Il comprend également, au-dessus du niveau N
1, et de préférence en position éloignée du réacteur, un déversoir de décrassage 12
pour évacuer en continu le laitier de désiliciation et de déphosphoration fourni dans
le réacteur 1 puis passé dans l'enceinte calme du décanteur par débordement au-dessus
du seuil que constitue l'extrémité supérieure libre de la cloison séparatrice 3. Une
cheminée 13 pour extraire les fumées est également prévue à l'extrémité du décanteur
éloignée du réacteur.
[0021] De son côté, l'étage de décarburation B comprend un second réacteur 14 dans lequel
le bain de la fonte à décarburer BR est destiné à former un bain en fusion atteignant
un niveau prédéterminé N
2, et un second décanteur 15 séparé du second réacteur 14 par une cloison étanche 16
dont l'extrémité supérieure est au-dessus du niveau N
2.
[0022] Le second réacteur 14 comporte, dans sa partie située sous le niveau N
2, une ouverture d'entrée 17 communiquant avec le siphon 11, et des moyens 18 de brassage
pneumatique du bain pouvant être du type de ceux prévus dans le fond du premier réacteur
1. Il comporte en outre des moyens 19 pour insuffler un gaz oxydant au-dessus du bain
de fonte qu'il contient, ces moyens étant par exemple une lance à oxygène, ainsi qu'une
porte 21 pour introduire éventuellement des matières refroidissantes, telles que des
ferrailles.
[0023] Dans l'exemple de réalisation représenté, les niveaux N et N sont à la même hauteur
puisque le réacteur 1, le décanteur 2 et le réacteur 14 communiquent entre eux selon
le principe des vases communicants. Il va de soi cependant que le niveau N
2 pourrait être à une hauteur inférieure à celle du niveau N
1, par exemple si le siphon 11 était remplacé par une conduite à débit réglable.
[0024] Quant au second décanteur 15, il comporte un déversoir 20 pour évacuer le laitier
de décarburation, une cheminée 22 pour extraire les fumées, et un orifice de sortie
23 destiné à évacuer la fonte affinée vers le nuanceur C.
[0025] Pour produire de l'acier avec l'installation représentée sur les figures 1 à 3, on
procède de la manière suivante :
- on introduit en continu dans le premier réacteur 1, de la fonte à préaffiner et
des agents de désiliciation et de déphosphoration par la goulotte 5 et la conduite
6 respectivement ;
- on crée une atmosphère oxydante au-dessus de ce bain en actionnant les moyens 8,
et au besoin on ajoute par la porte 7 des matières refroidissantes dans le premier
réacteur pour maintenir le bain métallique à la température d'élaboration voulue ;
- on actionne les moyens de brassage 9 et 18 des étages A et B ;
- on insuffle par la lance 19 un débit d'OZ déterminé pour assurer la décarburation de la fonte dans le second réacteur 15 ;
- et¡le cas échéant on ajoute des matières refroidissantes à la fonte par la porte 21 pour
le réglage thermique.
[0026] Le silicium et le phosphore de la fonte contenue dans le premier réacteur 1 s'oxydent
au contact de l'oxygène apporté par le minerai, et les oxydes produits sont fixés
dans le laitier formé par les agents de désiliciation et de déphosphoration et dont
la majeure partie surnage à la surface libre du bain en fusion. Ce laitier étant produit
en continu, il déborde constamment au-dessus de la cloison 3 et parvient dans le premier
décanteur 2 pour se diriger vers le déversoir 12 qui assure son évacuation en continu.
[0027] La fonte, en grande partie désiliciée et déphosphorée dans le premier réacteur 1,
passe en continu par l'ouverture de communication 4 de la cloison 3 et parvient ainsi
dans le premier décanteur 2 dans lequel s'achèvent calmement la désiliciation et la
déphosphoration, en même temps que s'opère la séparation du métal et du laitier qui
étaient passablement mélangés dans le réacteur sous l'influence conjuguée des réactions
d'oxydation et du brassage pneumatique du bain.
[0028] La fonte désiliciée et déphosphorée s'écoule ensuite hors du décanteur 2 par le passage
10 et traverse le siphon 11 pour parvenir dans le second réacteur 14.
[0029] Dans celui-ci, le carbone en excès de la fonte, tout comme le silicium et le phosphore
que celle-ci pourrait encore contenir, sont éliminés du bain métallique grâce à l'oxygène
insufflé par la lance 19. De ce fait, le laitier de décarburation résultant et la
fonte forment une émulsion qui déborde au-dessus de la seconde paroi 16 et se répand
dans le second décanteur 15.
[0030] Une fois parvenue au repos dans le second décanteur, l'émulsion métal-laitier se
partage lentement par gravité en deux phases superposées : le métal affiné qui s'écoule
en continu par l'orifice de sortie 23 et le laitier surnageant sur le bain de métal
et qui est évacué en continu par le déversoir 20.
[0031] Les figures 4 et 5 représentent une installation dans laquelle l'étage de désiliciation
et de déphosphoration A est divisé en deux unités adjacentes et contiguës : une unité
de désiliciation D et une unité de déphosphoration E en aval de l'unité de désiliciation.
[0032] L'unité de désiliciation D comporte un réacteur 24 séparé d'un décanteur 25 par une
cloison 26 comportant une ouverture de communication 27 au-dessous du niveau N défini
par la surface libre de la fonte à affiner et dont l'extrémité supérieure est au-dessus
de ce niveau.
[0033] De même, l'unité de déphosphoration E comporte un réacteur 28 séparé d'un décanteur
29 par une cloison 30 comportant une ouverture 31 au-dessous du niveau N et dont l'extrémité
supérieure est au-dessus de ce niveau.
[0034] Le réacteur de désiliciation 24 comporte, dans sa partie située au-dessus du niveau
N
3, des moyens 32 pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens 33 pour introduire
des matières d'oxydation du silicium,(tel que du minerai de fer) et les agents de
formation d'un laitier de désiliciation et des moyens 34 pour introduire le cas échéant
des matières refroidissantes, et dans sa partie située sous le niveau N
3, des moyens de brassage 35 tels que ceux prévus dans les réacteurs 1 et 14 de l'installation
représentée sur les figures 1 à 3.
[0035] De son côté, le décanteur de désiliciation 25 comporte un déversoir 36 prévu au-dessus
du niveau N pour éliminer le laitier de désiliciation, et une ouverture 37 située
au-dessous du niveau N et communiquant avec le réacteur de déphosphoration 28.
[0036] Le réacteur de déphosphoration 28 comporte, quant à lui, dans sa partie située au-dessus
du niveau N
3, des moyens 38 pour introduire les agents de déphosphoration et des moyens 39 pour
créer une atmosphère oxydante, une porte 34' pour l'introduction éventuelle de matières
refroidissantes, telles que des ferrailles,et dans sa partie située sous le niveau
N
3, des moyens de brassage 40 du bain métallique.
[0037] Le décanteur de déphosphoration 29 comporte à son tour un déversoir 41 prévu au-dessus
du niveau N pour éliminer le laitier de déphosphoration, et une ouverture 42 prévue
au-dessous du niveau N et communiquant avec un conduit 43 aboutissant dans le réacteur
14 de l'étage de décarburation B.
[0038] L'installation représentée sur les figures 4 et 5 se différencie donc de la précédente
par son étage A dans lequel la désiliciation et la déphosphoration sont conduites
l'une après l'autre dans des enceintes réactives séparées au lieu d'être réalisées
en même temps dans le même récipient.
[0039] Bien que le fonctionnement de cette installation paraîtra évident pour l'homme de
l'art, on précisera que :
- le laitier de désiliciation formé dans le réacteur 24 s'écoule dans le décanteur
25 en débordant au-dessus de la cloison 26 et en est évacué continuement par le déversoir
36 ;
- le laitier de déphosphoration formé dans le réacteur 28 s'écoule dans le décanteur
29 en débordant au-dessus de la cloison 30 et en est évacué continuement par le déversoir
41 ;
- le décanteur 25 contient de la fonte désiliciée qui circule en continu vers le réacteur
28 en empruntant le passage de communication 37 ;
- le décanteur 29 contient de la fonte désiliciée et déphosphorée qui circule en continu
vers l'étage de décarburation B en empruntant le passage de communication 43.
[0040] Quant à l'étage de décarburation B, ses caractéristiques techniques et fonctionnelles
sont bien entendu les mêmes que celles décrites en référence aux figures 1, 2 et 3.
[0041] Il peut être prévu, pour réduire. les pertes en fer par les laitiers, de recycler
le laitier de déphosphoration, ou du moins une partie, dans le réacteur de désiliciation.
[0042] Pour être complet, on précisera que la fonte déversée dans les installations conformes
à l'invention peut être de la fonte brute de haut fourneau ou de la fonte à teneur
en silicium sensiblement constante provenant d'un mélangeur.
1) Installation pour l'élaboration de l'acier par préaffinage de la fonte comprenant
un étage de désiliciation et de déphosphoration suivi d'un étage de décarburation,
caractérisé en ce que l'étage de désiliciation et de déphosphoration est constitué
par au moins une unité close(A) formant :
- un réacteur (1) dans lequel la fonte à préaffiner est destinée à former un bain
dont la surface est maintenue à un niveau prédéterminé N1, ledit réacteur présentant, d'une part, une partie supérieure, au-dessus du niveau
N pourvu de moyens (5) pour introduire la fonte à préaffiner, de moyens (6) pour introduire
des agents d'oxydation du silicium et du phosphore, ainsi que des agents de formation
d'un laitier de désiliciation et de déphosphoration, et de moyens (8) pour créer une
atmosphère oxydante au-dessus du bain et, d'autre part, une partie inférieure, en-dessous
du niveau N1, pourvue de moyens (9) de brassage du bain métallique ;
- et un décanteur (2) séparé du réacteur (1) par une cloison (3) comportant une ouverture
de communication (4) en-dessous du niveau de bain N et dont l'extrémité supérieure
libre, dépassant au-dessus dudit niveau N1, constitue un seuil de débordement du laitier formé dans le réacteur (1), ce décanteur
comportant, d'une part, une ouverture de sortie (10) située en-dessous du niveau N
et communiquant avec un conduit de liaison (11) destiné à permettre la circulation
d'un courant de fonte désiliciée et déphosphorée vers l'étage de décarburation et,
d'autre part, un déversoir (12) situé au-dessus du niveau N1 pour évacuer à l'extérieur le laitier de désiliciation et de déphosphoration décanté
provenant du réacteur (1).
2) Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'étage de décarburation
est constitué par une enceinte close (B) formant :
- un second réacteur (14) dans lequel la fonte à décarburer provenant du conduit (11)
de liaison avec le décanteur (2) est destinée à former un bain dont la surface libre
est maintenue à un niveau prédéterminé N2, ce réacteur comportant une ouverture d'entrée (17) située en-dessous du niveau N2 et communiquant avec ledit conduit de liaison (11) ainsi que des moyens (19) situés
au-dessus du niveau N pour insuffler un gaz oxydant de décarburation de la fonte ;
- et un second décanteur (15) séparé du réacteur (14) par une cloison étanche (16)
dont l'extrémité supérieure libre, dépassant au-dessus du niveau N2, constitue un seuil de débordement d'une émulsion métal-laitier formée dans le réacteur
(14) sous l'action de l'insufflation dudit gaz oxydant, ledit décanteur (15) présentant
un déversoir (20) pour évacuer à l'extérieur le laitier décanté sur le bain métallique
et une ouverture (23) sous le niveau du bain métallique dans le décanteur pour la
sortie d'un courant d'acier liquide.
3) Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que le réacteur de décarburation
(14) comporte des moyens de brassage (18) du bain métallique.
4) Installation selon la revendication 1 ou 3 caractérisée en ce que les moyens de
brassage (9) du réacteur (1) de l'étage de désiliciation et de déphosphoration et/ou
les moyens de brassage (18) du réacteur (14) de l'étage de décarburation sont constitués
par des éléments réfractaires perméables logés dans le fond desdits réacteurs et reliés
à une alimentation en gaz de brassage.
5) Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'étage de désiliciation
et de décarburation est constitué par une unité close (D) de désiliciation et par
une unité close (E) de déphosphoration, chaque unité comportant un réacteur (24, 28)
séparé d'un décanteur (25, 29) par une cloison (26, 30) comportant une ouverture de
communication (27, 31) au-dessous du niveau prédéterminé (N3) et dont l'extrémité supérieure est située au-dessus de ce niveau et forme un seuil
de débordement ; en ce que le réacteur de désiliciation (24) comporte des moyens (32)
pour introduire la fonte à préaffiner, des moyens (33) pour introduire les agents
de désiliciation, et des moyens de brassage (35) ; en ce que le réacteur de déphosphoration
(28) comporte des moyens (38) pour introduire les agents de déphosphoration, des moyens
(39) pour créer une atmosphère oxydante, et des moyens de brassage (40) du bain métallique
; en ce que les décanteurs de désiliciation et de déphosphoration (25, 29) comportent
des moyens (36, 41) pour évacuer le laitier qu'ils renferment ; et en ce que le décanteur
de désiliciation (25) est relié au réacteur de déphosphoration
(28) par un conduit de transfert naturel (37) tandis que le décanteur de déphosphoration
(29) est relié à un conduit de liaison immergé (42) communiquant avec l'étage de décarburation
(B).
6) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée
en ce que l'étage de désiliciation et de déphosphoration (A) et/ou l'étage de décarburation
(B) sont pourvus de moyens (7, 21 ; 34, 21) pour introduire dans leur réacteur respectif
des additions refroidissantes, notamment sous forme de ferrailles.
7) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée
en ce que les moyens (5 ; 32) pour introduire la fonte dans l'étage de désiliciation
et de déphosphoration (A) sont reliés à la sortie d'un mélangeur délivrant de la fonte
à teneur en silicium sensiblement constante.
8) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée
en ce qu'elle comprend en outre un récipient métallurgique (C) de mise à la nuance
de l'acier produit, relié à la sortie de l'étage de décarburation (B).