La présente invention se rapporte à l'élaboration de l'acier par préaffinage de la fonte.
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.
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.
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.
Les opérations de désiliciation et de déphosphoration menées dans ces conditions caractérisent ce que l'on dénomme désormais, le prétraite- ment, ou plus précisément le préaffinage de la fonte.
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).
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).
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.
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 :
De préférence, l'étage de décarburation est constitué par une enceinte close formant :
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 continûment 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.
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 :
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, 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.
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 Ni et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de celui-ci.
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.
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.
Dans sa partie située au-dessous du niveau Ni, 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.
Les éléments réfractaires perméables peuvent avantageusement être du type décrit dans le brevet européen n° 0 021 861.
Le premier décanteur 2 comprend quant à lui une ouverture de sortie 10 située au-dessous du niveau Ni 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" 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.
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 N2, et un second décanteur 15 séparé du second réacteur 14 par une cloison étanche 16 dont l'extrémité supérieure est au-dessus du niveau N2.
Le second réacteur 14 comporte, dans sa partie située sous le niveau N2, 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.
Dans l'exemple de réalisation représenté, les niveaux N, et N2 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 N2 pourrait être à une hauteur inférieure à celle du niveau N" par exemple si le siphon 11 était remplacé par une conduite à débit réglable.
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.
Pour produire de l'acier avec l'installation représentée sur les figures 1 à 3, on procède de la manière suivante :
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 3 et parvient dans le premier décanteur 2 pour se diriger vers le déversoir 12 qui assure son évacuation en continu.
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.
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.
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.
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.
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.
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 N3 défini par la surface libre de la fonte à affiner et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de ce niveau.
De même, l'unité de déphosphoration E comporte un réacteur 28 séparé d'un réacteur 29 par une cloison 30 comportant une ouverture 31 au-dessous du niveau N3 et dont l'extrémité supérieure est au-dessus de ce niveau.
Le réacteur de désiliciation 24 comporte, dans sa partie située au-dessus du niveau N3, 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 N3, 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.
De son côté, le décanteur de désiliciation 25 comporte un déversoir 36 prévu au-dessus du niveau N3 pour éliminer le laitier de désiliciation, et une ouverture 37 située au-dessous du niveau N3 et communiquant avec le réacteur de déphosphoration 28.
Le réacteur de déphosphoration 28 comporte, quant à lui, dans sa partie située au-dessus du niveau N3, des moyens 38 pour introduire les agents de déphosphoration et des moyens 39 pour créer une atmosphère oxydante, urie porte 34' pour l'introduction éventuelle de matières refroidissantes, telles que des ferrailles, et dans sa partie située sous le niveau N3, des moyens de brassage 40 du bain métallique.
Le décanteur de déphosphoration 29 comporte à son tour un déversoir 41 prévu au-dessus du niveau N3 pour éliminer le laitier de déphosphoration, et une ouverture 42 prévue au-dessous du niveau N3 et communiquant avec un conduit 43 aboutissant dans le réacteur 14 de l'étage de décarburation B.
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.
Bien que le fonctionnement de cette installation paraîtra évident pour l'homme de l'art, on précisera que :
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.
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.
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.