<Desc/Clms Page number 1>
L'invention est relative à l'utilisation de l'oxygène pour l'élaboration de l'acier dans un appareil de raffinage de l'acier, et plus particulièrement dans un four à sole dit "four Martin".
Elle est relative en particulier à une méthode et à un appareillage perfectionnes pour l'injection d'oxygène sous la forme d'un jet à vitesse approximativement sonique dans des appareils de raffinage de l'acier tels que fours Martin fixes ou basculants, "mélangeurs" fixes ou basculante aussi bien du type "inactif" que du type "actif", et autres appa- rails analogues.
Le principal but de l'invention est de fournir une méthode perfectionnée d'injection d'un jet d'oxygène à travers la voûte d'un four l'artin ou. autres appareils analogues de raffinage du ferjusque sur la surface du bain, en empêchent
<Desc/Clms Page number 2>
que.cette injection gêne les opérations normales d'exploi- tation du four, y compris son basculement.
Un autre but de l'invention est de fournir une méthode perfectionnée d'injection d'un jet d'oxygène à l'intérieur d'un four Martin à travers la voûte de ce dernier, de manière à accélérer la vitesse d'oxydation du carbone dans le four, autrement dit la vitesse de décarburation, permet- tant ainsi d'améliorer les performances dudit four.
Un autre but de l'invention est de fournir un injecteur d'oxygène pourvu d'une buse d'injection-permettant d'accroître considérablement la durée de service de l'in- jecteur.
Les buts ci-dessus de l'invention sont atteints en utilisant un injecteur d'oxygène perfectionné qui est abaissé à travers une ouverture ménagée dans la voûte d'un four Martin afin de diriger un jet d'oxygène sous un certain angle sur la surface du bain d'acier en fusion qui se trouve dans le four. L'injecteur d'oxygène conforme à l'invention comporte essentiellement un corps en acier et un embout usiné en cuivre. Un tube à oxygène est centré par rapport au corps en acier et à l'embout en cuivre. Autour du tube à oxygène se trouve une pluralité de tuyaux parcourus par de l'eau de refroidissement et qui entourent ledit tube jus- 'qu' à son extrémité inférieure. L'eau s'échappe ensuite par l'espace oompris entre la paroi du corps de l'injecteur et les tubes d'eau et d'oxygène.
Ce dispositif de refroidisse- ment assure un refroidissement plus efficace dans la zone critique à l'extrémité de l'injecteur.
On va maintenant décrire l'invention au moyen d'un exemple, et en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels;
<Desc/Clms Page number 3>
La figure 1 est une coupe verticale longitudinale d'un four Martin montrant l'injecteur d'oxygène en position basse, c'est-à-dire en position de fonctionnement ;
La figure 2 est une section transversale du four Martin représenté sur la figure 19 la section étant opérée selon l'axe 2-2 ;
La figure 3 est une vue en élévation de l'injecteur d'oxygène, les parois dudit injecteur étant représentées partiellement enlevées pour montrer le dispositif de refroidissement ;
La figure 4 est une section verticale de l'injecteur d'oxygène représenté sur la. figure 3 ;
La figure 5 est une section selon l'axe 5-5 de la figure 3, montrant la disposition des tuyaux de refroidisse- ment autour du tube central d'oxygène ;
La figure 6 est une vue en perspective cavalière du guide de l'injecteur d'oxygène, et
La figure 7 est une vue en perspective cavalière de l'anneau refroidi par l'eau et qui est mis en position dans l'ouverture ménagée dans la voûte du four Martin.
Si l'on se reporte main,tenant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1 sur laquelle des nombres-repè- res servent à désigner les mêmes pièces dans les diverses figures, on voit que l'ensemble constituant l'injeoteur d'oxygène, désigne en 1, est supporté par un sable 2 passant sur une poulie 3 fixée à la toiture d'un bâtiment abritant un four Martin indiqué en 4. Le câble 2 s'étend horizontale.-. ment jusqu'à une autre poulie 5, et redescend pour venir s'enrouler sur les tambours 6 d'un treuil électrique 7 fixé à des poutrelles au-dessus du four, ou en tout autre emplace- ment convenable.
<Desc/Clms Page number 4>
L'ensemble injecteur 1 s'étend de haut en bas à travers une ouverture 8 ménagée dans la voûte 9 du four Martin 4. L'ouverture 8 a été ménagée dans un panneau 10 en briques de magnésite au chrome qui a été inséré dans la voûte du four 4.
On remarquera que l'ouverture 8 a été ménagée à proximité immédiate de l'une des extrémités du panneau 10.
La raison de cette position relative de l'ouverture dans le panneau sera exposée par la suite.
Dans l'ouverture 8 se trouve placé un anneau 11 qui entoure l'ensemble injecteur 1.
Un guide 12 pour l'injecteur d'oxygène est mis en position directement au-dessus de l'ouverture 8 sur une construction en poutrelles indiquée en 13. Le guide sert à aider le câble à supporter l'injecteur en position et à empêcher l'injecteur de tourner à l'intérieur du four lors- qu'il est en position de f onctionnement. Le guide également sera décrit en détail par la suite.
Si l'on passe maintenant aux figures 3 et 4 qui représentent l'ensemble 1 de l'injecteur d'oxygène d'une façon plus détaillée, on constate que l'injecteur 1 comporte un corps en acier 14 à l'extrémité inférieure duquel est fixée une buse en cuivre 15. L'extrême bout inférieur de la buse 15 est coudé en 16 sous un môle d'environ 250. Le côté le plus long de la portion coudée, visible sur la figure 4, a environ 115 mm de longueur.
Fixée à l'extrémité supérieure du corps en acier 14- se trouve une pièce 17 on forme de U à laquelle vient s'atta- cher le câble 2. S'étendant à partir de la partie supérieure du corps de l'injecteur sa trouve un tuyau 18 recourbé vera
<Desc/Clms Page number 5>
le bas et qui constitue l'entrée d'eau de ref roidissement.
Le t'uyau 18 se raccorde aux extrémités supérieures ouvertes de trois tuyaux 19 qui s'étendent le long de l'injecteur d'oxygène et entourent un tube 20, situé dans l'axe dudit injecteur, ét dans lequel passe l'oxygène. L'extrémité infé- rieure de l'injecteur d'oxygène est fermée par une plaque 21, mais on remarquera que les tuyaux à eau 19 s'arrêtent à courte distance de la plaque de fermeture 21.
Lorsque l'eau de refroidissement sort des extrémités des tuyaux 19, elle s'écoule vers le haut dans le sens indiqué par les flèches 22 dans l'espace compris entre les parois de l'injecteur et les tuyaux 19 et le tube 20. Quand l'eau atteint une chambre 23, elle sort à travers un tuyau 24- coudé vers le bas. Une plaque 25 sépare la chambre d'entrée d'eau de la ehambre de sortie d'eau 23.
Comme on peut le constater au mieux sur la figure 2, un tuyau souple 37 relie le tuyau 18 d'entrée d'eau à une source d'eau de refroidissement. Un tuyau souple 38 relie le tuyau 24. de sortie d'eau à une installation de refroidissement convenable.
Un tuyau souple 26 relie le tube à oxygène 20 à une source d'oxygène.
' A proximité de l'extrémité supérieure du oorps 14 de l'injocteur se trouve une paire do barres de positionnement 27 s'étendant dans le'sans radiale Ces barras sont en acier de haute qualité et servent à supporter l'injecteur et à en fixer la position par rapport au guide d'injecteur 12, d'une maniera qu'on va maintenant décrire.
Lorsque l'injecteur d'oxygène est en position basse ou position de fonctionnement, il est supporté par le guide-
<Desc/Clms Page number 6>
-injecteur 12 qui ost représenté sur la figure 6. Le guide- -injecteur 12 comporte une embase annulaire 28. S'étendant verticalement vers le haut à partir de l'embase 28 se trouvent des tubes avant coudés 29 et des tubes arrière coudés, plus hauts, 30. On remarquera que les tubes 29 et 30 sont coudés de telle manière que leurs parties inférieures forment des sortes do fentes 31. Dans ces fentes 31 viennent se loger les barres de positionnement 27 qui sont montées sur l'injec- teur dtoxygène.
Des supports s'étendant verticalement 32 renforcent les tubes 29 et 30 en les reliant mécaniquement à l'embase 28. Le guide-injecteur est entièrement construit en acier.
Le guide 12 est placé au-dessus de la voûte du four Martin dans une position telle que l'axe du jet d'oxygène émis par l'injecteur soit parallèle à l'axe longitudinal du four. Etant donné quo, sous la force du jet d'oxygène, il se produit de fortes projections d'acier en fusion, il est en effet souhaitable de diriger le jet dans le sens de l'axe longitudinal du four. Co sont les barres de positionnement 27 qui, en venant sa loger dans les fentes 31 des guides, empêcheront l'injocteur de tourner pondant le fonctionnement de ce dernier.
Los tubes arrière surélevés 30 servent à rassembler les divers tuyaux souples relies à l'injecteur d'oxygène et à empêcher qu'ils puissent être endommagés par l'un quelconque des appareillages auxiliaires qui se trouvent à proximité du four.
Le guide sert aussi à supporter l'injecteur au-dessus du four en cas do défaillance du oâblo do suspension.
Si l'on passe maintenant à la figure 7, on y voit
<Desc/Clms Page number 7>
représenté un anneau 11 qui sert à refroidir l'ouverture 8 ménagée dans la voûte du four Martin. Grâce au refroidissement de cotte ouverture,les gaz du four qui s'échappent par ladite ouverture seront refroidis et leur action destructrice sur -la Voûte et sur l'a position de l'ouverture sera considérablement réduite.
L'anneau 11 est constitué par une assez grande longueur d'un tube en acier en un seul morceau auquel on à donné la forme d'un serpentin 33. L'eau de refroidissement entre par l'orifice d'entrée d'eau 34 et circule dans le serpentin 33 de bas en haut, pour sortir par l'orifice de sortie d'eau 35'
L'utilisation d'un refroidisseur de voûte en forme do serpentin continu est particulièrement avantageuse du fait d'une circulation constante do l'eau do refroidissement dans l'anneau tout entier. Cette disposition a pour résultat un débit maximum constant dans la totalité du serpentin,.
Cette constanoe du débit maximum d'eau de refroidissement a pour effet d'accroître considérablement la durée de service de 1''anneau de refroidissement; ce perfectionnement a, en effet, pour conséquence de quintupler la durée effective de service de l'anneau.
Lorsqu'on désire apporter de l'oxygèje au bain d'adier en fusion contenu dans le four Martin, l'injecteur est abaissé en position do travail comme le montrent les figures 1 et 2.
Dans cette position, la buse de l'injecteur d'oxygène se trouve de 100 à. 130 mm au-dessus du niveau du bain d'acier indiqué en 36. Etant donne que le ouivre fondrait aux tempé- ratures qui règnent à l'intérieur du four Martin, on fait circuler de l'eau dans l'injecteur avant d'abaisser celui-ci an- le four. Il est recommandé d'employer du cuivre pour
<Desc/Clms Page number 8>
l'embout de l'injecteur, car le cuivre est un bon conducteur de la chaleur, et il est désirable d'évacuer la chaleur loin de la buse de l'injecteur aussi rapidement que possible.
On a pu constater que, en faisant circuler l'eau de refroidissement dans les trois canalisations réparties autour du tube central par lequel arrive l'oxygène, la durée de service de l'injecteur était considérablement accrue . Cet accroissement est dû à l'écoulement turbulent à grande vitesse de l'eau de refroidissement à hauteur de la zone critique de l'injecteur, qui est l'extrême bout de l'injecteur. L'écoule- ment turbulent à grande vitesse a pour conséquence une efficacité de refroidissement plus grande à l'extrémité de l'injecteur, point à hauteur duquel il est extrêmement souhaitable que le refroidissement soit particulièrement @ actifs
Lorsque l'injecteur a été descendu en position de travail, on fait passer l'oxygène par le tube central 20.
L'oxygène sort de l'injecteur sous un certain angle et vient frapper le bain d'acier en fusion, soulevant un brouillard d'acier et de laitier fondus. L'angle selon lequel l'embout de l'injecteur a été coudé a été soigneusement choisi, compte tenu de diverses considérations. Il est souhaitable que cet angle soit aussi proohe que possible de lu verticale. En main- tenant la buse dans une position aussi proche que possible de la verticale, la distance que doit parcourir l'oxygène pour pénétrer dans la couche de laitier flottant sur l'acier est fortement raccourcie.
En outre, la grandeur de 1'ouverture ménagée dans la voûte du four Martin est diminuée, puisque l'extrémité de l'injecteur vient se loger dans cotte ouver- ture lorsque l'injecteur n'est pas en fonctionnement.
<Desc/Clms Page number 9>
L'angle de coudage de l'extrémité de l'injecteur a été'choisi tel que le laitier qui se trouve projeté par le jet d'oxygène venant frapper la partie supérieure du bain d'acier passe au ras de l'embout de l'injecteur d'oxygène.
Etant donné que le jet d'oxygène diverge sous un angle d'environ 7 quand il sort de la buse de l'injecteur, on a constaté qu'un coudage sous un angle d'environ 25 permet de faire passer la zone de réaction du laitier juste au ras de l'injecteur lorsque la buse dudit injecteur se trouve à environ 130 mm au-dessus du bain d'acier.
Ainsi que le fait a été mentionné plus haut, l'axe de la partie coudée de l'injecteur d'oxygène est parallèle à l'axe longitudinal du four Martin. Ceci empêche l'acier projeté sous le souffle de l'oxygène d'entrer en contact avec les parois du four Martin. Tour empêcher les projections de laitier d'endommager la voûte du four, le panneau de magnésite au chrome est placé dans la voûte du four de manière que la plus grande partie dudit panneau se trouve dans la direction de l'oxygène projeté par l'injecteur; le panneau en magnésite au chrome est en effet plus résistant à l'action du laitier fondu que les briques en silice qui servent pour la construc- tion du four ; il en résulte que la durée de service de la voûte du four sera considérablement accrue.
Il est recommandé d'utiliser de préférence un oxygène industriel aussi pur que possible, mais en')réalité on peut employer un oxygène mélangé avec de l'air ou avec un gaz inerte. Dans le cas où l'on utilise un mélange, celui-ci doit avoir une teneur on oxygène supérieure à la teneur normale de l'air en oxygène, c'est-à-dire supérieure à 21% en volume.
<Desc/Clms Page number 10>
Dans les méthodes antérieurement connues basées sur l'emploi de l'oxygène, un débit de 850 à, au maximum, 1000 mètres cubes d'oxygène à l'heure a été employé, ce qui cor- respond à une pression d'environ 10 kg/cm2 à l'injecteur, et on ne peut raisonnablement espérer aucune amélioration d'une nouvelle augmentation de ce débit tant que l'on considère, comme par le passé, que la meilleure solution consiste à diriger le jet vers la surface du bain sous un angle d'inci- dence essentiellement aigu.
Par contre, dans l'invention, la pression d'oxygène à la buse de l'injecteur est accrue jusqu'à environ 18 kg/cm2, ce qui correspond à un débit moyen de 1200 à 1400 mètres cubes d'oxygène à l'heure. Un avantage de l'invention résulte du fait que, avec ce débit accru, il n'est pas nécessaire de recourir à l'emploi d'un manodétendeur si, par exemple, l'on emploie des évaporateurs d'oxygène fonctionnant sous une pression d'environ 18 kg/cm2.
En outre, ce débit accru d'oxygène, qui est rendu possible grâce à l'introduction du jet d'oxygène à travere la voûte pour qu'il vienne frapper la surface du bain, pormet, ainsi qu'on à pu le constater, d'agiter le bain dans uno zone plus étendue; il en résulte, comme le fait sera préoisé par la suite, que la vitesse de déoàrburation s'en trouve elle- -même accrue.. On a pu constater, de plus, que cette plus grande vitesse d'élimination du carbone, ot le temps de raffinage plus court qui en est la conséquence, n'exerçaient aucune influence nuisible ni sur l'obtention d'une température de coulée oorreote, ni sur l'élimination finale du soufre ou,du phosphore.
Dans la méthode conforme à l'invention, qui consiste
<Desc/Clms Page number 11>
à injecter l'oxygène à un débit plus élevé et à travers la voûte du four, on considère qu'il est préférable de commencer le soufflage à l'oxygène aussitôt que le bain entre en fusion et lorsque la teneur en carbone est d'environ 40 points (un "point" est une teneur de 0.01% de carbone).
Au-dessus de cette concentration en carbone, on constate que la réaction devient violente dans le bain, produit beaucoup de flammes, à tel point que, même en coupant le chauffage à l'huile lourde, la température de la voûte peut s'élever localement à tel point qu'elle devient suffi- sante pour fondre les briques en silice. Les fumées qui s'échappent de la cheminée sont, dans ces conditions, très denses.
Mais, au-dessous de 0,4% de carbone, l'ensemble des opérations de conduite du four s'effectue aisément et la fumée évaouée par la cheminée n'est pas excessive! elle est même, en fait, beaucoup moins intense, habituellement) que celle qui suit l'introduction de métal chaud au cours d'une opération normale. La formation de fumée s'atténue très rapidement et, au-dessous de 0,2% de ourbone, l'émission n'est plus que très faible.
On constate que la force des éclaboussures varie la fois avec la distance entre l'orifice de la buse et le bain, et avec le pourcentage de carbone dans l'acier. Les éclaboussures et l'agitation sont d'autant plus feriez que la teneur du bain en carbone cet plus élevée, et los écla- boussures deviennent plus fortes lorsque la distance entre l'orifice de la buse et la bain dépasse environ 100 mm. Si l'on remonte la buso d'environ 20 à 25 mm, il se produit do fortes éclaboussures en forme de gouttelettes qui peuvent
<Desc/Clms Page number 12>
atteindre, et, en fait, atteignent la voûte.
On a pu constater., par conséquent, que si l'injecteur est correctement placé, la réaction ne s'accompagne pas d'éclaboussures susceptibles d'endommager la voûte du four, ni les garnissages.de ses parois avant et arrière.
Il est habituel, selon la composition du bain, d'introduire soit de l'oxyde de fer, soit de la chaux, soit les deux, juste avant de commencer le soufflage à l'oxygène, car on a constaté que l'agitation produite par le jet gazeux est un excellent moyen.de produire une réaction rapide entre ces produits et le bain.
On a constaté également que l'apport d'un volume, d'oxygène proportionnel à la teneur en carbone du bain au commencement du soufflage permet de se placer dans les condi - tions voulues pour atteindre la limite supérieure de 0.07 % de carbone ordinairement spécifiée.
La méthode conforme à l'invention permet, en outre, d'apporter aux opérations les diverses autres simplifications suivantes :
Un échantillon est envoyé au laboratoire au moment où. l'on commence le soufflage à l'oxygène. Lorsqu'on a connais- sance du résultat de l'analyse du carbone, on calcule la quantité d'oxygène nécessaire, et aussit8t que cette quantité été injectée on prend toutes dispositions utiles en vuo de la ooulée.
Aucun autre prélèvement d'échantillon n'est néces- saire, tout au moins on ce qui concerne la décarburation, ot à moins que l'on éprouve des difficultés quelconques avec le soufre ou le phosphore, ce qui n'est toutefois pas habituel- lement le cas, aucun nouvol échantillon n'est envoyé au labo- ratoire avant l'échantillon do coulée, prélevé tandis que le métal du.'bain on fusion sort du four.
<Desc/Clms Page number 13>
Ce fait n'a pas seulement pour conséquence d'épargner au laboratoire un assez gros travail analytique : il permet de ne pas retarder la coulée tandis que l'on procède au contrôle de la teneur finale en carbone en vue de s'assurer que les spécifications à cet égard seront satisfaites, comme c'est le cas avec des ,charges normales.
' Tandis que le débit d'huile lourde est normalement réduit pendant le soufflage d'oxygène, le rapport air/huile est notablement augmenté afin que le volume considérable de gaz combustible qui se trouve engendré dans la zone de réac- tion autour du jet rencontre suffisamment d'air pour brûler, et sa comporter comme un combustible d'appoints Vitesse de décarburation
Le principal effet de l'oxygène introduit dans le bain avec un débit conforme à l'invention est de provoquer un accroissement considérable de la vitesse d'élimination du carbone.
L'effet do l'utilisation do 1'oxygène.au débit conforme à l'invention dans un four d'une capacité nette de 225 tonnes apparaît immédiatement si l'on compare la vitesse de déoarbu- ration pour 1e débit d'oxygène recommandé avec la vitesse de décarburation sans soufflage d'oxygène, et aussi avec la vitesse de décarburation pour un débit d'oxygène de 1000 mè- tres cubes à l'heure.
Si l'on prond trois échantillons soule- mont et si l'on commence à 0,35 @ de carbone, ce qui est une teneur de départ typique pour le soufflage à l'oxygène, la vitosso moyenne do décarburation est do 0,42% C à l'heure dans le cas d'un débit moyen de 1315 mètres cubes Ci. , oxygène à l'houru, contre 0,14 % C à l'heure sans oxygène et 0,35% C pour un débit moyon do 1000 mètres cubes d'oxygène à 1'heure.
<Desc/Clms Page number 14>
Il est donc possible de conclure que, si l'on se trouve dans le domaine de concentration de carbone pour lequel la décarburation par soufflage d'oxygène est praticable, la vitesse de décarburation est triple de ce qu'elle est lors- qu'on décarbure sans oxygène=
De plus, lorsqu'on part d'une teneur en carbone do 0,35%, par exemple, il faut attendre 142 minutes pour effec- tuer la coulée lorsque la décarburation s'effectue sans oxy- gène, tandis que 48 minutes suffisent si l'on opère avec le débit d'oxygène conforme à l'invention. Si l'on part de 0,15 %, le temps pour arriver aux conditions permettant la coulée est ramoné à 33 minutes, contre 95 minutes pour la décarburation sans soufflage d'oxygène.
Lorsqu'on trace une courbe donnant la consommation spécifique d'oxygène en mètres cubes à l'heure par 0,01 % de carbone par tonne d'acier, on fonction du pourcentage de carbone du bain au début du soufflage, il apparaît très clai- rement que le rondement d'utilisation de l'oxygène baisse très rapidement lorsque la teneur du bain en carbone au début du soufflage diminue. La chute de ce rondement devient tout à fait spectaculaire au-dessous de 0,15 % C.
Co fait, joint à l'augmentation du temps économisé lorsque l'opération do soufflago est commoneée sur un bain à teneur en carbone plus élevéo, incite à conclura que le gain not, à tous points do vuo, sera d'autant plus considérable que le bain sera plus riche en carbone.
Mais cet effet favorable est contrebalanoé par les conditions de la réaction; il convient do se souvenir que, au-dessus de 0,4.5 % C, la réac- tion de décarburation est trop violente; c'est- la raison pour laquelle on s'est arrête, à titre de compromis, à l'intervalle
<Desc/Clms Page number 15>
compris entre 0,45 et 0,35 % C comme correspondant aux meilleures conditions pour commencer le soufflage d'oxygène à plein débit.
Il est toutefois possible do recourir au soufflage d'oxygène dans des conditions satisfaisantes même avec des teneurs en carbone initialement plus élevées, mais alors le débit de l'oxygèno au début de l'opération doit être réduit; et cela jusqu'à ce que la teneur en carbone passe au-dessous de 0,40 environ.
Le sidérurgiste constatera que l'opération de décar- buration par soufflage d' oxygèno dans les conditions conformes à l'invention est extrêmement simple, la descente et le rôle-' vage do l'injecteur étant effectués à partir du pupitre de commande par la mise en action de boutons-poussoirs, le débit d'oxygène étant contrôlé à l'aide d'un simple vanne.
Grâce à l'injection d'oxygène, conformément à l'inven- tion, à travers la voûte du four, et grâce à l'emploi de moyens appropriés pour retirer l'injecteur (ou les injectours) du four, d'autres opérations essentielles do conduite du four Martin, telles que le chargement et la ooulée, ne sont gênés en aucune manière, et los fours existants peuvent aisément être modifiés pour leur Remettre de bénéficier dos avantages résultant de la mise en oeuvre do l'invention. La manipulation. do l'injectour cet extrêmement simple et no nécessite que très peu d'attention manuelle.
On constate on pratique quo, contrairement à toute attente, il no s'attache quo très pou de laitier ou de métal solidifié à la partie de l'injectour qui se trouve placé à l'intérieur du four.