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"PROCEDE ET INSTALLATION POUR L'ELABORATION DE L'ACIER PAR CON-
VERSION".
La présente invention est relative à un procédé d'élabora- tion de l'acier par conversion de fer impur en fusion, dans le- quel on souffle à travers le bain pendant toute la durée de la conversion un mélange oxycarbonique à base d'oxygène et d'anhy- dride carbonique, dont le rapport m du nombre de môles des gaz à dissociation endothermique au nombre de môles d'oxygène libre dans le mélange avant dissociation est au moins égal à 1.
On sait que certaines des conditions particulières dans lec quelles on effectue normalement la conversion de la fonte en acier d'une composition déterminée, par soufflage d'air ou d'ai enrichi en oxygène, peuvent varier d'une aciérie à l'autre mais dans chaque aciérie, on sait, par la pratique courante, comment il faut constituer la charge pour que, en fin de conversion au moyen d'air de teneur a en oxygène, le bain atteigne la tempéra ture optimum de coulée, au moment même où l'acier atteint la
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composition désirée.
Pour atteindre cet objectif, l'opérateur règle judicieusement l'ensemble des caractéristiques physiques et chimiques de la charge, à savoir la température d'enfourne- ment, la composition chimique des constituants, la nature et le poids par tonne de fonte des additions telles que mitrailles froides, fer sous forme d'oxydes de fer de composition moyenne Fe 0 , chaux, etc. Une conversion ainsi réglée est dénommée conversion normale.
Les conversions normales à l'air, ou à l'air enrichi en oxy= gène, procurent de l'acier qui contient plus d'azote qu'un bon acier Martin.
Pour réduire la teneur en azote d'un acier Bessemer, le de- mandeur a proposé antérieurement de remplacer le soufflage à l'air ou à l'air enrichi en oxygène par un soufflage au moyen d'un mélange oxycarbonique à base d'oxygène et d'anhydride car- bonique. Il a crû qu'en effectuant tout le soufflage au moyen d'un mélange ayant le même pouvoir thermogène que l'air atmos- phérique et qui pourrait être appelé "mélange iso-air", on pour rait obtenir facilement de l'acier à la température optimum de coulée au moment où la composition désirée serait atteinte. Il s'est rendu compte de ce que par un soufflage au moyen d'un mé- lange oxycarbonique iso-air, les tuyères d'insufflation seraient rapidement détruites et devraient être remplacées à une caden- ce telle que la marche normale de l'aciérie en serait compromi- se.
Il en a conclu qu'en rendant le mélange suffisamment moins thermogène que l'air pour éviter la destruction rapide des tuyères, la température finale du bain ne serait plus suffisan- te pour permettre la coulée dans les conditions optima.
La présente invention a comme objet un procédé qui évite cet inconvénient et qui cependant ne donne pas lieu à une des- truction rapide des tuyères d'insufflation et ne nécessite pas une modification de la valeur de m en cours de soufflage.
Suivant l'invention, on utilise une charge dont l'ensemble
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des caractéristiques physiques et/ou chimiques est tel que, par rapport à une charge qui serait à utiliser pour réaliser une con- version normale par soufflage à l'air de concentration a en oxy- gène, elle ait apporté, en fin de conversion, une quantité de chaleur supplémentaire suffisante pour compenser le mali calori- fique à résulter de l'emploi, pour le soufflage, du mélange oxy- carbonique susdit, au 'lieu de l'air de concentration a en oxygè- ne. De préférence, on utilise un mélange oxycarbonique dans le- quel la teneur en azote est inférieure à 5 % de la teneur en an- hydride carbonique.
En d'autres termes, on utilise une charge physiquement et/ou chimiquement plus chaude que la charge normale pour conversion à l'air, on effectue le soufflage à l'aide d'un mélange oxycarbo- nique de rapport m supérieur à 1 et on compense le mali calorifi- que qui résulte de ce soufflage par le boni dû à la composition et/ou à la température d'enfournement de la charge.
En plus d'une augmentation de la température d'enfournement, on peut notamment augmenter la teneur en silicium de la fonte traitée ou réduire le poids des additions telles que mitrailles froides, oxydes de fer, chaux, lesquelles additions freinent l'élévation de température. Dans le cas d'un traitement Besse- mer basique, on peut aussi augmenter la teneur en phosphore en même temps que celle en silicium ou au lieu de celle en silicium.
Pour déterminer les variations des teneurs en silicium, phosphore, mitrailles froides, etc., qui s'imposent, on peut ti- rer parti des considérations suivantes :
La chaleur absorbée par le mélange oxycarbonique est, par approximativement 25 +139 x + 36 m môle d'oxygène actif incorporée dans le bain, de 25+139 x + 36/2 + X m calories. Dans cette expression, x désigne le nombre de môles d'anhydride carbonique(et ;éventuellement d'eau) qui sont effec- tivement dissociées sur les m môles d'anhydride carbonique (et éventuellement d'eau) qui, dans le mélange oxycarbonique utilisé accompagnent chaque môle d'oxygène libre.
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La valeur du rapport 1 dépend de nombreux facteurs et peut varier au cours de la conversion. La valeur moyenne, pour l'en- semble d'une conversion, du coefficient de dissociation x peut être déterminée expérimentalement. A cet effet, on choisit pour x, une valeur X quelconque (de préférence, plus grande que la valeur probable réelle, x, correspondant aux conditions de tra- vail envisagées).
On introduit cette valeur X dans l'expression donnant la chaleur d'échauffement par môle et on en déduit, par la méthode indiquée ci-après, et eu égard à la valeur Xdu coef- ficient de dissociation, la valeur des corrections à apporter à la constitution d'une charge normale pour conversion à l'air, en vue de réaliser une conversion correcte par le mélange 0 + m CO On effectue alors la conversion exactement dans les conditions pour lesquelles on désire connaître la valeur moyenne réelle du coefficient de dissociation. Au moment où le bain métallique atteint la composition désirée, on arrête le soufflage et on me- sure la température du bain.
Si on appelle t l'excès, en degrés centigrades, de la température ainsi mesurée sur la température optimum à réaliser en conversion normale (t est positif si la température mesurée est supérieure à la température optimum sou- haitée et négatif dans le cas contraire), on trouve la valeur moyenne réelle x du coefficient de dissociation pour les condi- tions de travail envisagées, en résolvant l'équation :
25 + 139 x + 36 m - 25 + 139 X + 36 m 150 t 2 + x 2 + X - T dans laquelle T est le nombre de môles d'oxygène actif intro- duit dans le bain pour effectuer la conversion d'une tonne de fonte.
Le mali calorifique résultant de la substitution du mélan- ge oxycarbonique à l'air enrichi ou non, de concentration a en oxygène, utilisé dans la conversion normale peut, pour les T môles d'oxygène incorporées au bain pendant le soufflage sui- vant l'invention, s'exprimer par T (25+ 139 x + 36 m/2 + x - 12/a) calories.
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Ce mali calorifique doit être au maximum égal au boni calo- rifique à résulter, en fin de conversion, d'une part, d'une tem- pérature d'enfournement de la fonte différente de la température d'enfournement pour une conversion normale et, d'autre part, des différences de constitutions chimique et physique existant entre la charge utilisée pour réaliser la conversion suivant l'inven- tion et une charge normale à utiliser pour une conversion norma- le par de l'air de concentration a en oxygène.
Avant de déterminer la façon de créer le boni, il peut être utile de définir les notations qui vont être utilisées dans la détermination du boni.
EMI5.1
Désignons par [six, [P]., [Mn, [Cln' fn, rn et kn les te- neurs,exprimées en grammes par tonne de fonte enfournée, d'une charge normale pour conversion normale, respectivement en sili- cium, en phosphore, en manganèse, en carbone, en mitrailles froi des, en fer à l'état d'oxydes de fer (de composition moyenne Fe 0 ) et en chaux. Ces teneurs tiennent compte des quantités de ces substances qui sont introduites dans la change aussi bien pendant la réalisation de la conversion qu'avant le commencement de celle-ci. Désignons par tn la température d'enfournement de la fonte, exprimée en degrés centrigrades, et supposons que les mitrailles froides, les oxydes de fer et la chaux se trouvent à la température ambiante au moment où on les enfourne.
Désignons par (c)f et (p)f les teneurs respectivement en carbone- et en phosphore, exprimées en grammes par tonne de mé- tal, que le bain contient en fin de conversion normale. Appelez tf la température optimum de coulée atteinte en conversion norme. le au moment où le bain atteint ,sa composition finale désirée, cette température étant exprimée en degrés centigrades.
Désignons par (Si)m, (P)m,(Mn)m, (C)m,' fm, rm et km les te- neurs, exprimées en grammes par tonne de fonte, d'une charge de composition modifiée pour la conversion par le procédé suivant l'invention, respectivement en silicium, en manganèse, en car-
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bone, en phosphore, en mitrailles froides, en fer à l'état d'oxy- des de fer (de composition moyenne Fe 0 ) et en chaux. Désignons par tm la température d'enfournement de la fonte pour cette con- version par le procédé suivant l'invention, cette température étant exprimée en degrés centigrades.
Rappelons que T désigne le nombre de môles d'oxygène actif nécessaire à l'affinage d'une tonne de fonte depuis le début de la conversion jusqu'à l'obtention de la composition finale du bain.
Dans ce nombre T, il faut comprendre les môles d'oxygène nécessaire à la scorification d'une certaine quantité de fer. E pratique, on admettra que pour toutes les conversions envisagées c'est-à-dire aussi bien pour la conversion suivant l'invention que pour la conversion normale de référence, la quantité de fer scorifiée par tonne de fonte de la charge reste la même, de sor- te qu'on n'a pas à tenir autrement compte de cette scorification pour la comparaison des bilans calorifiques.
T doit comprendre également les môles d'oxygène qui sont absorbées par la combustion du manganèse et du carbone. Dans les calculs des bilans calorifiques, conformément à la coutume, on n'explicitera pas l'effet thermogène de l'oxydation de ces éléments.
Désignons par s, p, f, r et k les poids exprimés en gramme par tonne de fonte dans le/charge, respectivement de silicium, de phosphore, de mitrailles froides, de fer sous forme d'oxydes de fer (de composition moyenne Fe203) et de chaux dont la charge modifiée diffère par rapport aux poids de ces mêmes éléments par tonne de fonte dans la charge utilisée en conversion norma- le. On a donc [SI. (Si)n = s, (P)m - (P)n = p, fm - fn = f, rm - rn = r, km - kn = k.
Le boni calorifique résultant de la combustion des complé- ments s et p de silicium et de phosphore, des modifications des poids de mitrailles, d'oxydes de fer et de chaux enfournés et
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de la modification de la température d'enfournement est, par ton- ne de fonte, la somme algébrique des quantités de chaleur suivan- tes exprimées en calories :
1 - une quantité d'environ + 5,5 s calories, provenant de l'augmentation s de la teneur en silicium.
2 - une quantité d'environ + 3,5 p calories provenant, dans le cas d'une conversion Bessemer basique, de l'augmentation p de la teneur en phosphore.
3 - une quantité d'environ - 0,32 f calories provenant de l'absorption de chaleur par l'augmentation f du poids de mitrail- les.
4 - une quantité d'environ - 1,75 r calories provenant de l'augmentation r du poids de fer incorporé sous forme d'oxydes de fer de composition moyenne Fe203.
5 - une quantité d'environ - 0,5 k calories provenant, dans le cas d'une conversion Bessemer basique, de l'augmentation k du poids de chaux.
6 - une quantité d'environ 150 (tm - tn) calories provenant de la modification de la température d'enfournement de la fonte.
Les paramètres s, p, f, r et k peuvent être positifs, nuls ou négatifs, suivant que les quantités de silicium, de phosphore, de mitrailles froides, d'oxydes de fer ou de chaux, que contient la charge traitée suivant l'invention sont supérieures, égales ou inférieures aux quantités de ces mêmes éléments dans la char- ge qui serait utilisée pour une conversion normale par l'air de concentration a en oxygène.
La condition à satisfaire pour que, dans le procédé par soufflage à l'aide d'un mélange oxycarbonique suivant l'inven- tion, à identité de composition finale du bain, celui-ci at- teigne une température au moins égale à celle réalisée dans la conversion normale de référence, est que T (25 + 139 x +/2 + x 36 m - 12/a) # 5,5 s + 3,5 p - 0,32 f - 1,75 r 2 + - 0,5 k + 150 (tm - tn)
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On peut déduire facilement de cette relation les valeurs à donner aux paramètres s, p, f, r, k et tm pour réaliser à coup sûr, la température optimum de coulée au moment où on atteint la composition finale désirée du bain et cela sans que les tuyères de soufflage se détruisent rapidement et sans avoir à modifier m en cours de -soufflage.
Une variante avantageuse du procédé suivant l'invention con- siste dans l'élaboration d'acier à partir de fontes plus riches en silicium que les fontes normalement utilisées dans les con- versions Bessemer basiques.
On sait que dans les aciéries Thomas (Bessemer basique), la bonne pratique consiste à utiliser des fontes à teneur en si- licium aussi faible que possible et, de préférence, au maximum de 0,4 %. Si les fontes venant du haut-fourneau ont une teneur plus élevée en silicium, il est devenu de pratique courante d'ab ser, avant conversion, la teneur en silicium de la fonte par un traitement préliminaire tel que le traitement de la fonte par une addition oxydante (par exemple, traitement de désulfuration par un composé de soude) ou par un court soufflage à l'air ou à l'oxy gène avant versement dans le mélangeur qui alimente le convertis- seur.
Suivant l'invention, dans le cas d'une conversion par un mélange O2 + m CO2, d'indice m# 1, au lieu de réduire la teneur en silicium de la fonte, on la fixe à une valeur supérieure à celle adoptée couramment pour la conversion normale à l'air at- mosphérique, la valeur adoptée étant au moins égale à 0,5 % et, de préférence, de l'ordre de 0,7 .
Dans cette variante, le rapport m est compris entre 1 et 2 et est, de préférence, voisin de 1,2.
Il est bien entendu que la teneur minimum en silicium de 0,5 % du poids de fonte contenue dans la charge s'applique non seulement au silicium que la fonte contient initialement en ve- nant du haut-fourneau ou du mélangeur mais également au silicium
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ajouté à un stade quelconque de l'opération, soit avant, soit après l'enfournement.
La teneur en azote du bain métallique à la fin de la con- version dépend notamment de la pureté du mélange oxycarbonique employé. Pour obtenir un acier contenant moins de 0,005 % d'azote, on peut employer pendant toute la conversion un mélan- ge oxycarbonique dans lequel la teneur en azote est au maximum égale à 5 % de la teneur en anhydride carbonique.
Si on veut obtenir une teneur finale en azote inférieure à 0,003 %, il faut que la teneur en azote du mélange oxycarboni- que ne dépasse pas 3 % de la teneur en anhydride carbonique, tout au moins à la fin de l'opération de conversion. En parti- culier, dans le cas d'une fonte phosphoreuse, on doit alors em- ployer ce mélange tout au moins pendant toute la phase de déphos phoration.
On évite ainsi que la teneur en azote du bain qui aurait été amenée à une valeur faible lors du soufflage au moyen du mé- lange oxycarbonique pendant que le bain contenait encore une assez forte proportion de carbone puisse remonter à une valeur plus forte après la phase de décarburation.
Lorsqu'on utilise pour l'opération de conversion un mélan- ge oxycarbonique dont la teneur en azote est très faible, par exemple au maximum égale à 3 % de la teneur en anhydride carbo- nique, il n'est pas indispensable d'utiliser un mélange oxycar- bonique aussi pauvre en azote depuis le début du procédé de conversion suivant l'invention, pour obtenir finalement un acier d'une teneur en azote inférieure à 0,003 %. On peut, par exem- toute la première phase de l'affinage y compris ple, utiliser, pendant/la période de décarburation active du bain, c'est-à-dire aussi longtemps que la teneur en carbone est encore au moins de 0,3 %, un mélange oxycarbonique dont la te- neur en azote peut aller jusqu'à 10 % de la teneur en anhydride carbonique.
Il est à remarquer que dans ce cas, la réduction de la te-
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neur en azote du mélange oxycarbonique en fin de conversion est obtenue par substitution d'un mélange à un autre, ce qu'on réa- lise par l'ouverture d'une vanne laissant passer le mélange le plus pauvre en azote et fermeture de la vanne qui laissait pas- ser le mélange moins pauvre en azote pendant la première partie du soufflage oxycarbonique. Cette façon d'opérer n'a donc rien de commun avec la variation de la teneur en oxygène du mélange oxycarbonique pendant le soufflage oxycarbonique, par variation de la section de l'orifice de la vanne laissant passer l'oxygène ou de celui laissant passer l'anhydride carbonique, variation que le demandeur avait crû antérieurement être apte à contrôler la conversion en cours.
D'une manière générale, il est avantageux d'utiliser un mélange oxycarbonique dont la teneur en impuretés est, pour l'en- semble des impuretés, égale au maximum à 10 % de la teneur en anhydride carbonique. Si on veut obtenir un acier pauvre en hy- drogène, le rapport du nombre de môles de vapeur d'eau au nom- bre de môles d'anhydride carbonique doit être au maximum égal à 1 10'
Pour éviter des projections violentes au cours du souf- flage, on coordonne la section des tuyères, leur nombre, la près sion d'insufflation et la hauteur du bain de telle manière que le débit moyen d'oxygène réactif, incorporé au bain, ne dépas- se pas 750 môles par tonne de métal et par minute et, de pré- férence, soit, tout au moins pendant la période de décarbura- tion du bain, de l'ordre de 500 môles par tonne de métal et par minute.
Une installation convenant pour la réalisation du procédé suivant l'invention est représentée en coupe verticale au des- sin annexé.
Dans ce dessin, on a représenté un convertisseur 2 dont le fond 3 est équipé d'un certain nombre de tuyères 4 servant à l'insufflation du mélange oxycarbonique grâce auquel la conver-
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sion suivant l'invention est effectuée. Ces tuyères sont ali- mentées par une conduite 5 en communication avec deux autres con- est duites 6 et 7 pourvues chacune d'une vanne 8. La conduite 7/en communication avec une source d'un mélange oxycarbonique dont la teneur en azote est au maximum égale à 3 % de la teneur en an- hydride carbonique tandis que la conduite 6 est en communication avec une source d'un mélange oxycarbonique dont la teneur en azote est plus forte sans dépasser 10 % de la teneur en anhydri- de carbonique.
On peut donc, grâce à cette installation, réaliser de l'a- cier dont la teneur en azote est inférieure à 0,003 si on-fer- progressivement me/la vanne 8 de la conduite 6 avant que la teneur en carbone pendant soit tombée en dessous de 0,3 %/@t qu'on ouvre @ la vanne 8 de la conduite 7.
Dans la coordination des éléments qui déterminent le débit de gaz insufflé, on choisit avantageusement pour les tuyères 4 une section de passage totale comprise entre 8 et 15 centimètres carrés et, de préférence, de l'ordre de 12 centimètres carrés par tonne de fonte chargée dans le convertisseur et on adopte pour les autres éléments les valeurs qui conviennent pour assurer le débit susdit avec cette section de passage.
En pratique, on a avantage à conduire le soufflage de maniè- re que sa durée totale soit au minimum de cinq minutes et soit, de préférence, comprise entre six et dix minutes.
Il est avantageux que le diamètre des trous individuels des tuyères 4 ne dépasse pas 12 à 13 mm. de manière à assurer une ab- sorption aussi complète que possible de l'oxygène et sa réparti- tion aussi uniforme que possible dans toute l'étendue du bain, ce qui réduit au minimum les pertes par scorification du fer et évi- te une oxydation excessive du bain à la fin de la conversion.
Ce diamètre est avantageusement compris entre environ 8 et envi- ron 13 millimètres.