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Procédé de production d'acier à partir d'éponges de fer La présente invention concerne un procédé pour produire de l'acier liquide à partir de minerais de fer préréduits, appelés aussi éponges de fer, dans un four à induction.
On salt que les éponges de fer constituent, pour les fours électriques, une charge plus intéressante que les ferrailles. Ces matières contiennent en effet beaucoup moins d'éléments Indésirables, comme par exemple le soufre et le zinc, que les ferrailles, et en outre la teneur de ces éléments est beaucoup plus régulière et donc plus contrôlable dans l'acier. Au point de vue économique également, les éponges de fer sont généralement avantageuses parce que leur prix est non seulement plus constant, mais aussi souvent plus faible que celui des ferrailles.
Il est bien connu aussi que le chargement d'éponges de fer chaudes permet d'économiser des quantités appréciables d'énergie électrique lors de leur fusion. Cette façon de procéder est particulièrement intéressante dans le cas où l'unité de production des prérédults se trouve à proximité immédiate du four électrique de fusion. Si ce n'est pas le cas, il peut néanmoins s'avérer intéressant de préchauffer les matières préréduites, dans les conditions requises, en utilisant une énergie moins chère que l'électricité. Il est clair que plus la température d'enfournement des produits préréduits est élevée et plus l'économie d'énergie électrique est grande. Les procédés classiques de production d'éponges de fer ne permettent guère de dépasser des températures de l'ordre de 1000 C.
A l'heure actuelle, la plus grande partie de la production mondiale d'acier par la vole électrique est assurée par des fours à arc. Le rendement électrique de ces fours à arc est habituellement compris entre 70 % et 80 %.
On connaît par ailleurs des procédés de fusion par induction électrique. Dans le secteur de la métallurgie, les fours à induction sont généralement utilisés pour fondre des matières conductrices de l'électricité, telles que des métaux, et en particulier des
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ferrailles ; dans les procédés connus, les ferrailles constituent elles-mêmes l'induit, qui est le siège de l'échauffement conduisant à la fusion des matières métalliques.
Dans le cas d'un four à induction, le rendement dépend de la résistivité tant de l'inducteur que de la charge à fondre. Lorsque la charge est constituée par un métal bon conducteur de l'électricité comme le cuivre, le rendement est d'environ 50 % ; dans le cas du fer, ce rendement peut atteindre 70 %. Pour des matériaux moins bons conducteurs de l'électricité, comme par exemple les verres fondus, le rendement peut pratiquement atteindre 100 %.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé qui permet de produire de l'acier liquide dans un four de fusion par induction, tout en bénéficiant des rendements électriques élevés attachés aux matières non conductrices de l'électricité.
Conformément à l'invention, un procédé de production d'acier liquide à partir d'éponges de fer, dans lequel on charge lesdites éponges de fer dans un four à induction, est caractérisé en ce que l'on utilise comme induit une scorie liquide.
Selon une variante particulière, ladite scorie liquide est essentiellement constituée par des matières provenant de la gangue qui subsistent dans les éponges de fer.
Il s'est également avéré avantageux d'y ajouter de faibles quantités d'agents correcteurs, tels que des agents réducteurs, déphosphorants et/ou désulfurants ; ces agents sont destinés à parfaire la réduction des oxydes de fer et à permettre d'autres opérations telles que la déphosphoration et/ou la désulfuration du fer.
Suivant une mise en oeuvre particulière, on forme un bain de scorie liquide dans la zone du four où règne le champ magnétique, on maintient par induction la température dudit bain de scorie liquide au-dessus du point de fusion desdites éponges de fer, on met lesdites éponges de fer en contact avec ledit bain de scorie liquide, essentiellement hors de la zone où règne le champ magnétique, on assure la fusion desdites éponges de fer par échange thermique avec ledit bain de scorie liquide, on effectue la réduction finale des oxydes de fer, on sépare l'acier obtenu de la scorie liquide et on recueille séparément l'acier et la scorie liquides.
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Les éponges de fer sont avantageusement chargées à chaud dans le four à induction. Le niveau de température des produits pré réduits à l'entrée du four ne présente aucun inconvénient d'ordre technologique, car aucun équipement sensible du four ne se trouve généralement à proximité. Cette température peut dépasser 10000C, voire 1300 C, avec l'avantage d'une économie d'énergie comme on l'a rappelé plus haut. Le chargement de éponges de fer se fait essentiellement en continu, mais peut aussi être fait par charges discrètes.
Dans le four, les éponges de fer solides fondent grâce à la chaleur qui leur est transmise par la scorie liquide constituant l'induit. Les matières préréduites fondues forment des gouttelettes qui sont entraînées par les forces d'induction et de gravité ; elles subissent une réduction finale, ainsi qu'éventuellement une déphosphoration et/ou une désulfuration par réaction avec le bain de scorie liquide, et décantent vers le bas du four. Ces réactions sont régies notamment par la composition de la charge ainsi que par la température du bain et des ajouts. L'acier liquide ainsi obtenu s'écoule par le bas du four à induction et la scorie générée au fur et à mesure de l'opération est évacuée séparément, par exemple par un orifice distinct ou par un déversoir à barrage situé à la partie supérieure du four.
La scorie et/ou l'acier peuvent être évacués en continu ou en discontinu.
La génération d'énergie thermique par induction dans la scorie liquide se fait avec un rendement de couplage entre l'inducteur (spires en cuivre) et l'induit (la scorie liquide) supérieur à 99 %. La fréquence nécessaire reste dans les limites où l'utilisation de semiconducteurs est la pratique actuelle, par exemple de l'ordre de 10 kHz ; il est dès lors possible d'utiliser une installation plus simple et dont le rendement, depuis le réseau d'alimentation jusqu'à l'inducteur, est de l'ordre de 95 %.
Suivant une caractéristique supplémentaire du procédé de l'invention, l'agent correcteur ajouté au bain de scorie liquide est essentiellement constitué par du carbure de calcium.
Cette substance présente quatre avantages importants pour le procédé de l'invention : - elle offre un potentiel de réduction très élevé, qui permet d'assurer une bonne réduction des oxydes de fer présents dans la scone liquide ;
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- après avoir réagi, elle forme du CaO, constituant basique permettant une meilleure déphosphoration et désulfuration de l'acier ; - après avoir réagi, elle forme également du CO, qui fait mousser la scorie et améliore la cinétique des réactions ; ce gaz réducteur est en outre utilisé dans l'installation de production des éponges de fer ; - elle n'est pas coûteuse.
Cette variante n'exclut cependant pas l'utilisation d'autres agents réducteurs, comme le carbone, le charbon, les hydrocarbures liquides ou gazeux.
L'acier liquide ainsi produit peut être traité suivant les méthodes traditionnelles de la métallurgie en poche.
L'acier peut aussi être coulé directement, soit en continu soit de façon discontinue. Le réglage du moment du début de la coulée de l'acier ou le réglage du débit de l'acier pendant la coulée se fait sur base de la mesure du courant qui traverse l'inducteur. Ce réglage consiste à commencer la coulée, dans le cas d'une évacuation en discontinu, ou à augmenter le débit de coulée, dans le cas d'une coulée continue, lorsque ce courant dépasse une valeur prédéterminée.
Suivant une caractéristique du procédé, le métal liquide qui décante au fond du four à induction se solidifie superficiellement au contact de la paroi qui est refroidie de façon appropriée, et peut être extrait en un lingot continu de forme désirée, par exemple en forme de brame ou de billette.
Dans une variante du procédé, le fond du four de fusion à induction communique avec un second four à induction de très faible puissance, qui peut servir soit de réservoir intermédiaire d'acier, sot à compenser les pertes thermiques et à ajuster la température finale de l'acier sot encore à régler le niveau de la scorie dans le premier four.
Dans une autre variante avantageuse, le second four à induction est soumis à une dépression contrôlée, ce qui permet de régler le niveau de scorie liquide dans le premier four de fusion, tout en accumulant des quantités variables d'acier, et à maintenir l'acier produit sous une dépression permettant son dégazage.
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Il ne sort pas du cadre de la présente invention d'appliquer les opérations précitées de traitement de métallurgie en poche et/ou de coulée à l'acier recueilli dans ledit second four à induction.
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The present invention relates to a method for producing liquid steel from pre-reduced iron ores, also called iron sponges, in an induction furnace.
We know that iron sponges constitute, for electric ovens, a more advantageous charge than scrap. These materials indeed contain much less unwanted elements, such as for example sulfur and zinc, than scrap, and in addition the content of these elements is much more regular and therefore more controllable in steel. From an economic point of view also, iron sponges are generally advantageous because their price is not only more constant, but also often lower than that of scrap.
It is also well known that loading hot iron sponges saves appreciable amounts of electrical energy during their melting. This procedure is particularly advantageous in the case where the production unit for preredults is in the immediate vicinity of the electric melting furnace. If this is not the case, it may nevertheless prove to be advantageous to preheat the pre-reduced materials, under the required conditions, using cheaper energy than electricity. It is clear that the higher the charging temperature of the pre-reduced products, the greater the saving in electrical energy. Conventional methods for producing iron sponges hardly allow temperatures to exceed 1000 C.
At present, most of the world's steel production by the electric fly is provided by arc furnaces. The electrical efficiency of these arc furnaces is usually between 70% and 80%.
Furthermore, methods of fusion by electric induction are known. In the metallurgy sector, induction furnaces are generally used to melt electrically conductive materials, such as metals, and in particular
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scrap metal; in known methods, the scrap itself constitutes the armature, which is the seat of the heating leading to the melting of the metallic materials.
In the case of an induction furnace, the efficiency depends on the resistivity of both the inductor and the load to be melted. When the charge consists of a metal that conducts electricity well, such as copper, the yield is around 50%; in the case of iron, this yield can reach 70%. For materials that are less good conductors of electricity, such as for example molten glass, the efficiency can practically reach 100%.
The object of the present invention is to provide a method which makes it possible to produce liquid steel in an induction melting furnace, while benefiting from the high electrical yields attached to materials which do not conduct electricity.
According to the invention, a method for producing liquid steel from iron sponges, in which said iron sponges are charged in an induction furnace, is characterized in that a liquid slag is used as the armature .
According to a particular variant, said liquid slag consists essentially of materials originating from the gangue which remain in the iron sponges.
It has also been found advantageous to add small amounts of correcting agents, such as reducing agents, dephosphorants and / or desulfurizers; these agents are intended to perfect the reduction of iron oxides and to allow other operations such as dephosphoration and / or desulfurization of iron.
According to a particular implementation, a liquid slag bath is formed in the zone of the furnace where the magnetic field prevails, the temperature of said liquid slag bath is maintained by induction above the melting point of said iron sponges, said iron sponges in contact with said liquid slag bath, essentially outside the zone where the magnetic field prevails, said iron sponges are fused by heat exchange with said liquid slag bath, the final oxides of iron, the steel obtained is separated from the liquid slag and the steel and the liquid slag are collected separately.
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The iron sponges are advantageously loaded hot in the induction furnace. The temperature level of the pre-reduced products at the inlet of the oven does not present any technological disadvantage, since no sensitive equipment of the oven is generally located nearby. This temperature can exceed 10000C, even 1300 C, with the advantage of energy saving as mentioned above. The loading of iron sponges is essentially continuous, but can also be done by discrete loads.
In the oven, the solid iron sponges melt thanks to the heat which is transmitted to them by the liquid slag constituting the armature. The molten prereduced materials form droplets which are entrained by the forces of induction and gravity; they undergo a final reduction, as well as possibly a dephosphorization and / or a desulfurization by reaction with the liquid slag bath, and decant down the furnace. These reactions are governed in particular by the composition of the filler as well as by the temperature of the bath and of the additions. The liquid steel thus obtained flows out from the bottom of the induction furnace and the slag generated during the operation is discharged separately, for example by a separate orifice or by a dam weir located at the top. from the oven.
Slag and / or steel can be discharged continuously or discontinuously.
The generation of thermal energy by induction in the liquid slag is done with a coupling efficiency between the inductor (copper turns) and the armature (liquid slag) greater than 99%. The necessary frequency remains within the limits where the use of semiconductors is current practice, for example of the order of 10 kHz; it is therefore possible to use a simpler installation, the efficiency of which, from the supply network to the inductor, is of the order of 95%.
According to an additional characteristic of the process of the invention, the correcting agent added to the liquid slag bath consists essentially of calcium carbide.
This substance has four important advantages for the process of the invention: - it offers a very high reduction potential, which makes it possible to ensure a good reduction of the iron oxides present in the liquid scone;
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- After reacting, it forms CaO, a basic constituent allowing better dephosphorization and desulfurization of the steel; - after reacting, it also forms CO, which lathers the slag and improves the kinetics of the reactions; this reducing gas is also used in the installation for producing iron sponges; - it is not expensive.
This variant does not however exclude the use of other reducing agents, such as carbon, coal, liquid or gaseous hydrocarbons.
The liquid steel thus produced can be treated according to the traditional methods of ladle metallurgy.
Steel can also be cast directly, either continuously or discontinuously. The timing of the start of the casting of the steel or the setting of the flow of the steel during the casting is made on the basis of the measurement of the current flowing through the inductor. This adjustment consists in starting the casting, in the case of a batch discharge, or in increasing the flow rate, in the case of a continuous casting, when this current exceeds a predetermined value.
According to one characteristic of the process, the liquid metal which settles at the bottom of the induction furnace solidifies superficially on contact with the wall which is suitably cooled, and can be extracted into a continuous ingot of desired shape, for example in the form of a slab. or billet.
In a variant of the process, the bottom of the induction melting furnace communicates with a second very low power induction furnace, which can serve either as an intermediate steel tank, to compensate for the heat losses and to adjust the final temperature of the steel is still to adjust the level of slag in the first furnace.
In another advantageous variant, the second induction furnace is subjected to a controlled vacuum, which makes it possible to adjust the level of liquid slag in the first melting furnace, while accumulating variable quantities of steel, and to maintain the steel produced under a vacuum allowing its degassing.
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It is not beyond the scope of the present invention to apply the aforementioned operations of ladle metallurgy treatment and / or casting to the steel collected in said second induction furnace.