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PROCEDE DE FABRICATION DE L'ACIER AU CONVERTISSEUR.
La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de l'acier au convertisseur à garnissage, tant acide, suivant Bessemer, que ba- sique, suivant Thomas.
Dans cette technique, il est intéressant de parvenir à réduire le plus possible la teneur en azote du produit final de l'opération au con- vertisseur. Etant donné que, la teneur en azote, plus élevée dans le procédé au convertisseur que dans le procédé au four Martin est due principalement, par voie directe et indirecte,à la proportion élevée d'azote existant dans l'air atmosphérique insufflé dans la charge pour l'élimination de certains éléments nuisibles, apportés par les fontes et éventuellement aussi par les matières auxiliaires traitées, on a déjà proposé et même réalisé industriel- lement certains procédés tendant à réduire ou même à supprimer l'azote dans le vent.de soufflage.
C'est ainsi qu'ont été proposées notamment des variantes du pro- cédé où la pression partielle de l'azote dans le vent est abaissée par addi- tion, à l'air atmosphérique, d'autres gaz ou vapeurs tels l'oxygène, l'anhy- dride carbonique, le gaz de hauts-fourneaux, certains hydrocarbures gazeux ou vaporisés, la vapeur d'eau, etc, ces gaz.ou vapeurs étant susceptibles, le cas échéant, de jouer un rôle important ou même décisif dans l'élimina- tion des éléments nuisibles de la charge'.
Depuis que, par son prix de revient économiquement supportable, l'oxygène élémentaire est devenu une matière première utilisable à l'échelle industrielle, ce sont surtout les variantes des procédés basées sur l'em- ploi de vent plus ou moins enrichi en oxygène qui ont retenu l'attention des techniciens.
A ce sujet, on trouve plus particulièrement, dans la littéra- ture technique et dans des brevets, des renseignements précis et détaillés sur des procédés utilisant de l'air enrichi en oxygène ou même des mélanges gazeux, pratiquement exempts d'azote se composant par exemple, d'oxygène industriellement pur et d'anhydride carbonique.
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Dans plusieurs de ces procédés est mentionnée également, à ti- tre d'extension ou pour mémoire, sans doute, la possibilité d'employer de la vapeur d'eau, ensemble avec soit de l'air ou avec de l'oxygène et/ou .d'autres gaz. Mais alors que, pour l'air enrichi en oxygène et les mélanges d'oxygène et d'anhydride carboniqué, les renseignements techniques abondent, il n'en est nullement de même pour les mélanges d'air et de vapeur d'eau ou d'oxygène et de vapeur d'eau.
Il est à noter d'ailleurs que l'emploi des principaux de ces gaz et mélanges gazeux et en particulier de la vapeur d'eau avait déjà été prévu par Bessemer même, dans son brevet f ondamental de 1856 par lequel, le prin- cipe de l'emploi de ces divers gaz est pratiquement tombé dans le domaine public..
Aussi les divers auteurs et inventeurs qui, par suite, se sont attachés à perfectionner le procédé Bessemer, se sont-ils surtout efforcés de préciser davantage les conditions caractérisant les modes opératoires à observer pour la réalisation industrielle du principe de l'emploi simultané ou exclusif de gaz autres que l'air atmosphérique, et cela en vue d'obtenir notamment l'abaissement de la teneur en azote des aciers Bessemer ou Thomas, ainsi que d'autres résultats intéressants aux points de vue technique et/ou économique.
La présente invention a pour objet d'établir certaines condi- tions opératoires non précisées jusqu'à présent, dans la littérature tech- nique, dans lesquelles le soufflage d'un convertisseur peut avantageusement être effectué moyennant un mélange d'air, éventuellement enrichi en oxygène et de vapeur d'eau, ou de préférence, d'oxygène industriel et de vapeur d'eau.
Du point de vue économique, un tel mélange est à priori plus intéressant que le mélange d'oxygène et d'anhydride carbonique, grâce à la différence du prix de revient de l'anhydride carbonique et de la vapeur d'eau.
Du point de vue technique, il est à noter aussi que la production de vapeur, à l'état de pureté requis pour le soufflage, c'est-à-dire, pratiquement exempt d'azote, est beaucoup plus aisée que celle de l'anhydride carbonique et que d'autre part, aux températures régnant dans le convertisseur, la dissociation de la vapeur d'eau, en présence de fer, est moins complète que celle de l'anhydride carbonique.
En ce qui concerne cette dissociation de la vapeur d'eau, il était à craindre d'autre part que l'hydrogène en résultant ne confère à l'a- cier d'autres défauts graves, raison, vraisemblablement, pour laquelle, en général, on s'efforçait plutôt, jusqu'à présent, d'éviter toute introduc- tion de vapeur d'eau au cours de l'élaboration des aciers.
Or, il a été constaté que, dans les conditions opératoires de l'invention, précisées ci-après, on réussit à abaisser considérablement la teneur en azote des aciers et à améliorer ainsi leur tenue vis-à-vis du vieillissement, sans leur confère les défauts graves imputables à l'hy- drogène, et qu'on aurait pu craindre.
Il est apparu également que l'emploi.de vapeur d'eau, suivant l'invention, fait disparaître parallèlement les pertes en métal par émis- sion de fumées rousses d'oxyde de fer et, par rapport à l'emploi d'air suroxygéné, ramène à un taux normal la perte en métal par la scorie, toutes pertes provoquées par une oxydation exagérée du bain.
Ces divers effets, plutôt inattendus, semblent permettre de sup- poser que, dans les conditions de l'invention, la décomposition de la vapeur d'eau par le bain de métal est suffisante pour fournir, sans excès nuisible pour l'acier produit, l'hydrogène nécessaire pour contrecarrer, par réduc- tion de l'oxyde de fer, l'oxydation exagérée provoquée par le soufflage.
A l'encontre de ce qu'on pouvait craindre aussi, l'injection, même massive et à allure rapide, de vapeur d'eau, ne donne pas lieu à des explosions ôu à une effervescence dangereuse du bain. On constate, au
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contraire, qu'avec la vapeur d'eau, les projections de métal qui, dans la conduite habituelle des convertisseurs sont la cause des pertes de matière généralement importante ne se produisent pas, ou seulement dans une mesure fortement atténuée.
Mais cette diminution des pertes matérielles grâce à l'emploi de vapeur d'eau, ne présente qu'un des aspects favorables de la suppres- sion totale ou tout au moins très prononcée des projections. Il s'y atta- che, en effet, d'autres intérêts économiques et techniques considérables en ce sens que, grâce à l'absence de projections, il devient possible de traiter dans un même convertisseur une plus grande quantité de métal par coulée et d'augmenter ainsi la capacité de production de l'installation ou de traiter des fontes plus riches en silicium.
Cette dernière possibilité recèle un autre corollaire d'un in- térêt économique considérable, parce qu'elle permet d'abaisser aussi, par voie indirecte, la teneur en soufre des aciers au convertisseur.
Ainsi que l'on sait, les pertes par projections dépendent non seulement de la température de la fonte, de la hauteur du bain, du volume et de la forme des cornues, de la pression et du volume du vent de souffla- ge, du rythme de l'insufflation, mais surtout aussi de la composition chimi- que de la fonte et, en particulier de sa teneur en silicium. Elles sont d'autant plus fortes que la teneur en silicium-des fontes est plus élevée.
Mais étant donné, d'une part, qu'une allure plus chaude du haut-fourneau, si elle introduit plus de silicium dans la fonte, permet de réaliser dans cet appareil une désulfuration plus poussée et d'approvisionner ainsi le convertisseur en fontes plus pauvres en soufre, mais plus riches en sili- cium et que, d'autre part, grâce au soufflage au mélange oxygène-vapeur, le convertisseur est cependant capable de traiter de telles fontes sans projections exagérées, il s'ensuit que la teneur en soufre de l'acier pro- duit peut également être abaissée.
Pour la réalisation du procédé suivant l'invention, il importe de maintenir entre certaines limites la composition du vent de soufflage et de définir le moment de début et la durée de l'injection de vapeur d'eau, conditions qui peuvent varier suivant la composition de la charge et le but poursuivi.
Pour les mélanges d'oxygène et de vapeur d'eau, la teneur en vapeur peut varier entre 30 et 45 % en poids, le reste étant l'oxygène industriel.
On peut commencer le soufflage par du vent ordinaire éventuel- lement suroxygéné pour ne le poursuivre qu'au moment propice par le mélan- ge d'air et de vapeur d'eau ou d'oxygène et de vapeur d'eau.
Lorsque, par suite de la composition particulière de la charge, des projections-ne sont éventuellement pas à craindre et que l'on ne vise qu'à la,suppression des pertes de fer par oxydation (fumées rousses et scorification) et à l'abaissement de la teneur en azote, il peut suffire d'utiliser seulement le mélange à base de vapeur d'eau vers le milieu, mais en tout cas avant la fin de la décarburation.
- Si, par contre, il s'agit de réduire, à la fois, la teneur en azote, et les pertes en'fer par les projections, les fumées rousses et les scories, il importe de souffler dès le début de l'opération ou au plus tard une ou deux minutes seulement après le début, le mélange d'oxygène in- dustriel et de vapeur d'eau et de terminer toute l'opération au moyen de ce mélange.
Lorsque, en outre, la désulfuration de l'acier à obtenir doit être très poussée, on traitera, par soufflage au mélange d'oxygène et de vapeur d'eau, appliqué le plus tôt possible après le début de l'opération, des fontes déjà fortement désulfurées au haut-fourneau grâce à,une allure ' plus chaude donnant lieu à une teneur relativement élevée en silicium.
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Il est avantageux aussi, de porter le mélange d'oxygène et de vapeur d'eau à une température suffisamment élevée, en utilisant, à cet effet de la vapeur surchauffée, par exemple à 250 C, et de l'oxygène échauf- fé par la compression nécessaire au soufflage.
Les exemples pratiques ci-après, nullement limitatifs, d'opéra- tions de soufflage effectuées en marche industrielle, en régime basique dans des convertisseurs de 15 tonnes de capacité de charge, feront mieux comprendre, en les illustrant par des données numériques, les différentes modalités du procédé suivant l'invention.
1 ) L'injection du mélange, avec des débits de l'ordre de 175 Kg d'O2 et de 100 Kgs de vapeur d'eau par minute, n'a donné lieu à au- cune explosion ou effervescence dangereuse malgré l'allure très rapide de l'opération. On a constaté au contraire, l'absence de toute projection et il a été possible de traiter, sans provoquer de projection, des fontes à 0,75 % de silicium, qui, dans les coulées-témoins donnaient lieu à des projections considérables.
On peut donc traiter avec le mélange oxygène-vapeur des fontes encore plus riches en silicium en ayant soin de passer à l'injection du mélange dès que la tendance aux projections se manifeste. De bons résul- tats ont été obtenus par injection du mélange après une première minute de soufflage à l'air suroxygéné à 30 %.
2 ) L'utilisation du mélange 02 - vapeur peut être combinée sans difficulté et pour différentes proportions des constituants du mélange avec le soufflage au vent suroxygéné, ainsi qu'avec des modifications con- sidérables de l'enfournement comportant par exemple, la suppression totale des additions de mitrailles ou de minerais, le remplacement de tout ou par- tie des mitrailles par des minerais et même le remplacement d'une partie de la chaux par de la castine. Le calcul de l'enfournement peut s'établir sur les bases suivantes : mélange 02 - vapeur équivalent à l'air : 02 63 % en poids. vapeur 37 % Il par kilo d'O2 en plus de ces proportions, supplément de 3,2 Kg de mitrail- les. équivalent : chaux 0,55 Kg pour 1 kilo de mitrailles.
- minerais Suède (60% de fer) 0,37 Kg pour 1 kilo de mitrailles.
- vapeur en supplément de la proportion 0,17 Kg pour 1 kilo de mitrailles.
3 ) En soufflant un mélange composé de 37 % en poids de vapeur d'eau et 63 % d'oxygène depuis le début de la conversion et jusqu'à la fin de l'opération, on a pu fondre une quantité normale de mitrailles (environ 1 T. 1/2) sans préjudice de la température finale, le temps total de con- version étant de l'ordre de 7 minutes. L'acier obtenu çontenait 30 dixmil- lièmes pourcent d'azote sur échantillon prélevé au bassin de coulée. Cet acier était caractérisé par une grande douceur.
4 ) En utilisant des mitrailles à faible teneur en azote pro- venant d'essais précédents, on a constaté une réduction sensible de la te- neur en azote, laquelle est ainsi tombée à 19 dixmillièmes %. Ceci montre que l'azote introduit avec les mitrailles n'est généralement éliminé qu'en partie.
Pour contrôler ce fait, on a ensuite utilisé un mélange à 45 % de vapeur, lequel a permis une conversion de la fonte sans addition de mi- trailles, et avec une température finale normale. La teneur en azote est alors tombée à 21 dixmillièmes %.
Des résultats analogues ont été obtenus avec le mélange à 35 % de vapeur, après remplacement de la mitraille par son équivalent en minerais.
5 ) On a ensuite établi l'intérêt pratique que présente le souf- flage intégral au mélange vapeur-oxygène en commençant le soufflage par de
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l'air enrichi à 30 % d'oxygène, et en passant au soufflage au mélange à 35 % vapeur - 65 % oxygène après respectivement 4, 5 et 6 minutes de conversion, c'est-à-dire très approximativement au milieu, vers la fin de la décarbura- tion et au début de la déphosphoration. L'enfournement en mitrailles de qualité courante ayant été d'environ 2.200 kg, on a observé des teneurs en azote croissantes et respectivement de 29 - 33 - 40 dixmillièmes %.
Du point de vue élimination de l'azote ces résultats sont intéres- sants en ce qu'ils montrent que l'emploi du mélange oxygène-vapéur pendant les premières minutes du soufflage ne produit qu'un effet relativement peu marqué. Aussi, pour limiter les dépenses, peut-il être intéressant de n'uti- liser le mélange d'oxygène et de vapeur qu'à partir du milieu de la décarbu- ration, la première partie de la conversion étant effectuée à l'air enrichi ou non.
Ces résultats ont été contrôlés par une série de coulées ainsi réalisées et dans lesquelles les mitrailles de qualité courante avaient été remplacées par des mitrailles à basse teneur en azote ou par des minerais : la teneur en azote de l'acier produit était de l'ordre de 19 dixmillièmes %, c'est-à-dire égale à ce qu'on avait obtenu en utilisant le mélange depuis le début de l'opération.
6 ) La disposition des trous de soufflage, la pression de souf- flage et le brassage qui en résulte ont une certaine importance. On a pu réalisé sans apport de mitrailles des coulées à 15 dixmillièmes % d'azote, avec le même débit du mélange d'oxygène et de vapeur dès le début de la conversion mais en augmentant la pression de soufflage et le brassage par une réduction aux deux tiers du nombre des trous de soufflage, par suppres- sion de la couronne extérieure de trous. En ne soufflant le mélange oxygène- vapeur qu'à partir du milieu de la décarburation et en enfournant du minerais à la place de mitrailles, on a, par des pressions de soufflage variant de 0,75 à 1,5 kg/cm2, obtenu des teneurs en azote décroissant de 25 à 19 dix- millièmes %.
7 ) Malgré la richesse du mélange en oxygène utile c'est-à-dire .de l'oxygène introduit comme tel et celui provenant de la décomposition -d'une partie de la vapeur d'eau, on a constaté dans tous les essais la disparition complète des fumées rousses d'oxyde de fer, qui se développent toujours abondamment dans le soufflage à l'air ordinaire et bien davantage encore à l'air enrichi en oxygène, et cela même lorsque le mélange fut enrichi à 75 % en poids d'oxygène.
Par rapport aux coulées au vent enrichi, l'oxydation du fer et son passage dans la scorie sont également réduits et ramenés à des taux normaux.
Il en est de même pour l'oxydation du manganèse, qui est ramené également à son taux normal.
8 ) Des modifications sensibles quant aux teneurs de l'acier en soufre, phosphore et oxygène n'ont pas été observées.
9 ) On a d'autre part constaté que l'hydrogène s'éliminait ra- pidement et ne donnait lieu à aucune difficulté spéciale du moins dans la fabrication des aciers doux effervescents.
10 ) Des relevages à l'air suroxygéné qui ont parfois été néces- saires pour la mise au point final et qui ont duré jusqu'à une demi-minute, n'ont pas réintroduit, comme on aurait pu le craindre, des quantités impor- tantes d'azote dans l'acier. La différence de teneur .est petite et souvent même inférieure aux erreurs d'analyse.
L'utilisation du mélange d'oxygène et de vapeur constitue donc une méthode pour l'élimination de l'azote des aciers, susceptible de donner des résultats qui ne seront pas affectés d'une manière excessive par les divers aléas inhérents à toute marche industrielle. Au nombre de ces aléas, il faut compter le résidu d'azote existant dans l'oxygène industriel.
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Il ressort de ce qui précède que le procédé suivant l'invention peut comporter différents modes d'exécution.
D'une façon générale, on utilise donc pour la conversion de l'a- cier au moyen du mélange O2 + vapeur, des mélanges dont le titre en vapeur d'eau se situe entre 30 et 45 % en poids, le reste étant de l'oxygène in- dustriel. Le réglage du titre du mélange et celui de l'enfournement se fait sur les bases définies ci-dessus, étant bien entendu que les chiffres cités constituent une bonne approximation mais doivent être ajustés par chaque aciérie à la lumière de sa propore expérience, pour tenir compte des condi- tions locales.
Selon l'invention, il est également proposé, pour maintenir . le mélange au-dessus du point de saturation de la vapeur d'eau, de recourir à l'emploi de vapeur d'eau surchauffée, d'utiliser de préférence l'oxygène à l'état d'échauffement résultant de sa compression à la pression nécessai- re au soufflage et de procéder à un bon calorifugeage.
Le degré de surchauffe de la vapeur le mieux approprié dépend de conditions locales et de la composition exacte du mélange. Il se situe aux environs de 2500C.
Un premier mode d'exécution du procédé consiste à n'utiliser le .mélange que pendant la période de sa plus grande efficacité quant à l'élimi- nation de l'azote, c'est-à-dire depuis le milieu de la période de décarbura- tion jusqu'à la fin de la conversion. La première partie de l'opération est effectuée alors de préférence à l'air suroxygéné, ce qui permet l'enfourne- ment d'un complément de mitrailles ou de minerais appréciable.
On obtiendra des aciers dont la teneur finale en azote sera inférieure à 35 dixmillièmes pour cent pour peu que l'on observe certaines précautions que le technicien déduira sans difficulté des exemples pratiques détaillés précédemment et concernant la qualité de la fonte, la réalisation d'une pression de soufflage suffisante une disposition judicieuse des trous de coulée, l'utilisation à la place de mitrailles de qualités courantes, de minerais ou de mitrailles à basse teneur en azote. Dans des conditions favorables on pourra même descen- dre à 20 dixmillièmes %.
Un autre mode d'exécution du procédé consiste à utiliser le mé- lange de façon à bénéficier aussi de la suppression de toute projection. Il faut alors utiliser le mélange au plus tard dès que les projections ont tendance à se manifester, soit environ après une minute de soufflage à l'air suroxygéné. Il est évident que le même résultat peut être obtenu si l'on u- tilise le mélange dès le début de la conversion.
Comparée à la première modalité, cette dernière améliore encore légèrement la teneur en azote : sous réserve des mêmes précautions, on ob- tient des teneurs finales inférieures à 25 dixmillièmes % et dans des con- ditions favorables on peut descendre à 15 dixmillièmes %.
Une application de ce deuxième mode d'exécution et qui fait par- tie intégrante de l'invention, consiste à combiner cette conduite des con- vertisseurs avec une modification de la conduite des hauts fourneaux visant à la fabrication des fontes plus chaudes mieux désulfurées.
Etant donné que la possibilité de désulfurer la fonte au haut- fourneau est limitée par l'augmentation exagérée des teneurs en silicium qui résulte d'une allure plus chaude du fourneau, la possibilité de traiter au convertisseur, grâce à l'emploi du mélange oxygène-vapeur, une fonte plus riche en silicium, entraîne celle d'obtenir au fourneau une fonte contenant moins de soufre et apte à donner à la conversion un acier contenant égale- ment moins de.soufre.
REVENDICATIONS.
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