CA1177642A - Buse pour lance d'injection d'oxygene pour la decarburation des fontes et application a la decarburation des fontes au chrome - Google Patents

Abstract

Une buse concernant la décarburation des fontes liquide au moyen d'un jet d'oxygène issu d'une lance équipée d'une telle buse. Cette buse se caractérise par un divergent qui comporte au-delà du col une partie tronconique d'angle au sommet compris entre 60 et 70.degree. et, de préférence, entre 62 et 66.degree.. L'angle de 65.degree. est proche de l'optimum. Et un procédé pour la décarburation des fontes au chrome au moyen d'une telle buse qui permet l'obtention de rendements très élevés en chrome et en fer.

Description

'7ti~
La présente invention concerne une buse pour a décarburation des fontes par jet d'oxygène supersonique et un procédé de réalisation d'une émulsion d'une fonte au chrome au moyen d'une telle buse émettant un jet d'oxygène supersonique.
La nouvelle buse, qui fait l'objet de l'invention, concerne de la façon la plus générale, la décarburation des fontes au moyen de lances disposees au-dessus du niveau de la fonte liquide, qui emettent à travers une buse un jet d'oxygène en direction de la surface de cette fonte. L'in-vention concerne plus particulièrement les caractéristiques des jet d'oxygene issus de lances d'injection équipees de cette nouvelle buse et l'influence de ces caractéristiques sur les conditions d'interaction entre ces jets d'oxygene et la fonte liquide. Cette nouvelle buse s'applique en par-ticulier, mais de facon non limitative, a la décarburation des fontes au chrome.
Un certain nombre d'études ont été faites sur les caractéristiques que doivent presenter les buses montees a l'extremite des lances d'injection d'oxygène utilisees pour la decarburation des fontes. C'est ainsi que, dans l'ouvrage qui concerne la métallurgie de l'acier au moyen de conver-tisseurs basiques intitulé: ~BOF Steelmaking~ qui a été
publié en 1976 aux Etats-Unis par l'Iron and Steel Society, on trouve des indications precises au volume 3 Chapitre 8, pages 150 a 153, sur les caracteristiques des buses montees sur les lances à oxygène. Il est précise en particulier à
la page 150, lignes 28 a 35, qu'un ecoulement supersonique raisonnablement uniforme peut être obtenu au moyen d'une simple partie conique divergente qui fait suite à l'etrangle-ment. La figure 8-5, page 151, reproduit une telle buse pour lance a oxygène. Enfin, page 153, lignes 7 à 17, des C~
.
11~7'7~
renseignements precis sont donn~s sur le demi angle au sommet ~u'il convient d'adopter pour la partie tronconique divergente. On dolt ~viter des angles trop grands qui renforcent les ondes de choc causant une ~rop rapide dis-persion du jet. Il est proposé de choisir le demi angle au sommet de la buse d'injection dans l'intervalle compris entre

2,5 et 10~, un demi angle de 5~ etant consideré comme un compromis pratique.
L'expérience a montré que les buses ainsi réalisées donnent des résultats relativement satisfaisants dans le cas général de la décarburation des fontes ordinaires, mais, par contre, des difficultés ont été rencontrées dans le cas du traitement des fontes au chrome et~ en particulier, dans le cas de la mise en oeuvre du procédé de décarburation des fontes au chrome qui fait l'objet du brevet Canadien no.
1.154.967 délivre le 11 octobre 1984.
Dans cette demande, est décrit et revendiqué un procede de decarburation des fontes au chrome ou au chrome nickel contenant en % en poids 1,5 à 8 de C, 10 à 30 de Cr et jusqu'a 30 de Ni, qui comporte au moins dans la phase finale de la decarburation, la formation d'une émulsion gaz/fonte liquide au sein de laquelle le carbone est oxydé directement par l'oxygène.
Les conditions nécessaires à la réalisation de cette émulsion sont critiques. En effet, il est connu que la realisation d'emulsions entre une fonte liquide, un laitier et une phase gazeuse est relativement facile. C'est le cas de la decarburation des fontes par le procede LD. Ce sont alors les caractéristiques de viscosité du laitier qui jouent le rôle le plus important, comme cela est montré dans l'article de A. CHATTERJEE, N.O. LI~DFOR et J.A. WESTER: ~Process metallurgy of LD Steelmaking~ (Iron making and steel making 1976 - n~ 1). Par contre, pour qu'une émulsion entre une phase gazeuse et le métal liquide puisse se former et se maintenir de façon stable, m~me en l'absence quasi totale ~ J'7~
de laitier, jusqu'~ ce que la teneur en carbone soit abaissee, jusqu'~ un niveau final proche de 0,2 ~, des conditions bien definies de température de la fonte liquide, de teneur en carbone, de distance lance-bain, de debit et de pression d'oxygène doivent être realisees.
Ainsi que cela est decrit dans le brevet Canadien 1.1~4.967 ci-haut mentionné,lorsque les conditions favorables sont réunies et que l'emulsion entre phase gazeuse et fonte liquide se forme et se maintient de façon satisfaisante, on obtient à la fois une décarburation rapide et poussée et, en même temps, un rendement en chrome métal particulièrement éle-ve. Les exemples donnes dans cette demande concernent des essais effectues sur des quantites unitaires de ~onte au chrome d'environ 60 kg. La buse utilisee avait un diametre au col de 2 mm, et un débit de 168 Nl/mn d'oxygene.
Les études poursuivies et les nombreux essais ef-fectués pour le développement de ce procéde de decarburation des fontes au chrome ont montré qu'il ne suffisait pas d'ajuster convenablement les paramètres operatoires qui avait été identifiés pour obtenir de façon reproductible l'etablissement d'une émulsion stable. Dans bien des cas, des retards a la formation de l'émulsion et une certaine insta-bilité de celle-ci étaient observés; ces retards et/ou cette instabilite entra~naient une chute des rendements en chrome et en fer. Dans quelques cas même, l'émulsion ne se formait pas du tout.
On a donc recherché le moyen d'ameliorer la reproductibilité du déclenchement de l'emulsion gaz/fonte liquide et aussi d'accroltre la stabilite de cette emulsion une fois formée.
Le moyen qui fait l'objet de l'invention est une nouvelle buse pour lance d'injection d'oxy~ene a jet super-

-3-.
sonique, grace a laquelle il est possible de provoquer avec une beaucoup plus grande efficacité la formation de l'émulsion gaz/fonte liquide.
Cette nouvelle buse suivant l'invention se caractérise en ce qulelle comporte un divergent tronconi-que dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70~.
De préférence, cet angle est entre 62 et 66~, l'angle de 65~ étant proche de l'optimum dans les conditions des essais.
Cette partie tronconique peut être prolongée par une surface de révolution autour du même axe dont la génératrice présente une concavité tournée vers l'intérieur de façon à diminuer la dispersion du jet.
Selon la présente invention, il est également prévu un procéde de réalisation d'une emulsion d'une fonte au chrome au moyen d'une lance émettant un jet d'oxygène supersonique, caractérisé en ce que la lance comporte un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70~.
De préférence, on maintient ladite émulsion, qui permet la décarburation de la fonte, jusqu'à ce que la teneur en carbone atteigne environ 0,2~.
Cette nouvelle buse s'applique aussi de facon beaucoup plus générale à la décarburation des fontes de tous types grâce à une efficacité particulière pour provoquer l'émulsion de la fonte liquide au moyen de la phase gazeuse, et, éventuellement aussi, l'émulsion du laitier liquide.
L'exemple et les figures ci-après permettent de mieux comprendre les caractéristiques de la buse qui fait l'objet de l'invention ainsi que son application a la decar-buration des fontes au chrome.
La figure 1 représente une buse de type connupour jet d'oxygène supersonique.
La figure 2 représente la variation de la poussée du jet en fonction de l'angle au sommet du divergent d'une ~ ' ~ ~1'7'î~
buse tronconique.
La figure 3 représente une buse pour jet d'oxyg~ne supersonique suivant l'invention.
La figure 4 représente la variation du rendement en chrome en fonction de l'angle au sommet du divergent tronconique de la buse.
La figure 5 représente la variation du rendement en fer en fonction de ce meme angle au sommet.
La figure 6 représente une buse suivant l'invention 10 à profil amélioré.
Dans les premiers essais de décarburation des fontes au chrome suivant le procede decrit dans le brevet Canadien 1,154,967, on utilisait une lance à oxygène compor-tant une buce dont l'etranglement ou col etait constitue par une zone tubulaire cylindrique d'environ 2 mm de diamètre et 20 mm de long. L'extrémité de cette zone tubulaire du côté
sortie n'était pas prolongée par un divergent et l'expansion du jet d'oxygène n'était donc absolument pas limitée à la sortie de l'étranglement.
L'expérience avait montre que, dans ces conditions, la buse se recouvrait d'une couche d'oxydes refractaires à base d'oxyde de chrome. Cette couche se deposait principalement pendant la periode de formation puis de maintien de l'emulsion ; gaz/fonte liquide.
Une analyse d'une telle couche avait donne par exemple comme composition:
2~3 50% (en poids) FeO :20%
SiO2 :10%
30 A12O3 7 %
MgO :6%
CaQ :6%
O~ voit, d'apr~s cet exemple, que cette couche résultait essentiellement de l'oxydation des composants de la fonte au chrome, avec intervention de seulement quelques pour cents de chaux provenant du laitier initialement intro-du:Lt - alumine et magnesie venaient du garnissage. On avait COJIStaté que ce dépôt tendait à entourer l'orifice de la buse et à former un entonnoir plus ou moins bien défini autour de cet orifice.
On a eu l'idée de réaliser une buse présentant un divergent, à la fois pour essayer d'améliorer l'efficacite du jet et aussi pour eviter les risques de perturbation de ce jet par des dépôts d'oxydes réfractaires projetés a partir de la fonte liquide. On a alors réalisé des buses dont la forme génerale est representee figure 1. Ces buses comportent une entrée 1 raecordée à la canalisation d'arrivee d'oxygène, puis un col cylindrique 2 d'environ 2 mm de diamètre et 20 mm de long et, enfin, un divergent tronconique 3 dont l'angle au sommet ~1 est d'environ 10~ suivant l'enseignement de l'ouvrage ~BOF Steelmaking~> cite plus haut.
Les resultats d'essais de ces buses ont ete negatifs.
On constatait, effectivement, qu'il ne se formait pas de projections d'oxydes a l'interieur du divergent mais on n'arrivait pas à former l'emuIsion gaz/fonte liquide de fa~on reproductible et stable.
On a alors entrepris des essais afin de preciser en particulier l'influence de l'angle au sommet de divergent tronconique sur la poussee du jet a debit constant. La figure ' 2 donne des resultats de tels essais dansle cas d'une série de huit buses de mêmes caracteristiques que celles de la figure 1 excepte l'angle du divergent. La buse n~ 1 ne comportait pas de divergent, les buses 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 comportaient des divergents tronconiques de 4 mm de hauteur 7'7~
dont les angles au sommet etaient respectivement de 41, 53, 61, 65, 69, 77 et 100~.
Trois series d'essais ont ete faites pour trois niveaux de debits differents en oxygène: 172, 181 et 193 Nl/mn.
On mesurait pour chaque essai la poussee en N exercee par le jet sur le plateau d'une balance dispose à une distance d'environ 3 cm de l'orifice.
Les courbes 1, 2 et 3 tracées respectivement pour les débits de 193, 181 et 172 Nl/mn montrent chaque fois l'existence d'un même point sigunlier dans le cas du divergent de 65~.
sien que ce point singulier corresponds à une poussée minimale, on a eu l'idée de réaliser suivant l'invention des buses pour la décaxburation des fontes par jet d'oxygène supersonique, comportant un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70~ et, de préférence, compris entre 62 et 66~, l'angle de 65~ correspondant, à la préclsion des mesures pres, à la poussée minimale, dans les conditions de l'essai.
La figure 3 représente une buse suivant l'invention.
Elle comporte une entrée 4 et un col 5 dont les caractéristiques - sont semblables à celles de l'entrée 1 et du col 2 de la figure 1. Par contre, le dlvergent tronconique 6 présente un angle au sommet ~2 de 65~. On a constaté qu'il est possible au moyen d'une telle buse de provoquer de façon tout à fait reproductible, l'emulsion des fontes au chrome au moyen d'un jet d'oxygène supersonique, suivant le procédé décrit dans la demande de brevet citée plus haut. De plus, cette émulsion, une fois formée, présente une grande stabilité et se maintient jusqu'a décarburation finale de la fonte, c'est-a-dire jusqu'à une teneur en carbone voisine de 0,2~. Il est pos-sible, sans qu'on puisse l'affirmer, que l'efficacité

;t~
particulière des divergents à angle de 60 ~ 70~ et, de preférence compris entre 62 et 66~, soit dûe à la turbulence particulièrement importante provoquee dans l'ecoulement de l'oxygène par cette forme de divergent.
On a alors etudie l'influence de l'angle au sommet du divergent sur les rendements moyens en Cr et en Fe de l'operation de decarburation. Les essais avaient en effet montre que, generalement, une grande stabilité de formation et de maintien de l'émulsion gaz/fonte liquide s'accompagnait de rendements très eleves en Fe et Cr. Ces rendements sont calcules en ~ en poids en rapportant les quantites de Fe et Cr contenues dans l'acier obtenu après decarburation à celles contenues initialement dans la fonte.
L'exemple ci-après donne les resultats d'une serie d'essais de decarburation de fonte effectues de facon identique en faisant varier seulement les angles de divergent des buses.
On a prepare une serie de six buses du même type que celle de la figure 3, mais ayant chacune un divergent tronconique d'angle au sommet different. Les six valeurs d'angle au sommet ainsi realisees sont: 41~, 53~, 61~, 65~, 69~ et 77~. Chacune de ces buses comporte un col cylindrique de 2 mm de diamètre et 20 mm de long et la hauteur du tronc de cône du divergent est dans tous les cas de 4 mm.
Au moyen de chacune de ces buses, on a effectue de trois à neuf coulees de fonte au chrome suivant un mode opératoire unique similaire à celui déjà décrit dans le brevet Canadien 1,154,967 ci-haut mentionné.
On a elabore un lot de fonte homogène ayant la composition suivante: Cr 17%, C 6%, Si 0,3%, Mn 0,3~, S < 0,03~, P < 0,03~.
Pour chaque essal, on porte à 1380~C une quantite .1. ~ 7'~
de 60 kg de cette ~onte dans un four comportant un chauffage par lnduction, la surface de la fonte liquide étant recou-vexte de 340 gr de chaux. On injecte alors de l'oxygene au moyen d'une lance verticale avec un debit d'environ 180 Nl/mn. On utilise une des six buses qui viennent d'etre decrites et la distance verticale entre l'extremite de la buse et le bain est de 26 mm. L'oxygène ainsi éjecte entre en reaction avec le bain et on peut observer trois phases successives.
Dans une premiere phase, l'oxygène reag~t princi-palement a la surface du bain de fonte en oxydant de prefe-rence Cr, Si et Fe: au fur et à mesure que les oxydes formés qui contiennent en majeure partie du Cr2O3 s'accumulent ~ la surface du bain, une reaction secondaire de reduction de ces oxydes par le carbone s'amorce. La vitesse de cette reac-tion de reduction s'accrolt peu ~ peu en meme temps que la température s'élève jusqu'à environ 1650~C vers la dixième minute. Le CO forme se dégage pendant ce temps et br~le en donnant des flammes.
Dans une deuxieme phase, a partir de la onziame minute, la reduction des oxydes, principalement de l'oxyde de chrome, par le carbone devient plus rapide que la formation de ces oxydes. Dans cette periode de vive reaction, la temperature s'eleve encore, de façon cependant moins rapide.
A partir de la quin~ième minute environ, la vitesse de decarburation se stabilise, la teneur en carbone, qui est alors d'environ 4%, continue à decro~tre au rythme d'à peu près 0,3% par minute et en même temps, on observe une réduction correspondante de l'oxyde de chrome. Ce mecanisme se poursuit jusque vers la vingtième minute: la temperature du bain atteint alors environ 1750~C tandis que la teneur en C s'est abaissee à environ 2,9%. A la fin de cette deuxième phase, les oxydes métalliques formes initialement sont presque completement reduits.
Vers la vingtième minute, les conditions sont reunis pour le démarrage d'une troisième phase, qui permet-tra d'abaisser la teneur en carbone jusque vers 0,2%. Au début de cette troisième phase, la température du bain de fonte est très élevée. Dans ces conditions, en maintenant inchangées les conditions de debit d'oxygène et de distance entre l'extrémité de la buse et le bain de fonte, on observe la formation, à partir du bain de fonte lui-même, d'une émulsion entre gaz et fonte qui recouvre rapidement la surface du bain puis se développe en épaisseur jusqu'à
doubler le volume initial de la fonte. Tout se passe comme si la fonte elle-même, sous l'action du jet d'oxygène et de la formation de CO, par réaction directe de l'oxygene avec le carbone contenu dans cette fonte, entrait en ébullition dans toute sa masse, grâce aux conditions physico-chimiques réalisées. Au sein de l'émulsion ainsi formée, les vitesses de réaction sont élevées, ce qui permet la poursuite de la décarburation à un rythme rapide jusqu'à une teneur finale en carbone d'environ 0,2~ qui est atteinte à la vin~t neuvième minute. La température est d'alors d'environ 1820~C et on arrête le soufflage d'oxygène.
La pesée de l'acier obtenu après solidification et l'analyse de sa teneur en fer et en chrome permettent de déterminer les rendement en Fe et Cr correspondants.
Les figures 4 et 5 permettent d'observer les variations de ces rendements en fonction de l'angle du divergent tronconique de la buse. On voit très clairement que ces rendements passent par un maximum pour la buse qui présente un angle de 65~. Bien que certains facteurs puissent modifier légèrement l'angle optimal du divergent tronconique suivant l'invention, celui-ci est, d'apr~s les essais effectués, compris entre 62 et 66~ dans le domaine des conditions opératoires utilisables.
Avec une buse de 65~ d'angle au sommet, les depots sur la paroi interne de la buse dûs ~ des projections d'oxydes refractaires ~ partir du métal liquide sont faibles.
Des essais complémentaires ont montré qu'on peut encore réduire ces dépôts et réduire aussi la dispersion du jet en prolongeant la partie tronconique du divergent par une surface de révolution autour du même axe, dont la génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur. Il convient, de préférence, que la tangente à la courbe généra-trice de cette partie de la buse soit confondue a l'origine avec la génératrice du cône. A l'extrémite de la genératrice, la tangente peut devenir parallèle a l'axe ou proche du parallélisme.
La figure 6 présente une buse suivant l'invention ainsi perfectionnee. On voit l'entrée 7, le col cylindrique 8 et le divergent tronconique 9 d'angle au sommet a2 qui sont semblables aux parties correspondantes de la buse suivant l'invention de la figure 3. La partie 10 qui prolonge la partie tronconique 9 comporte une concavité tournée vers l'axe. Au point 11 de raccordement entre le tronc de c6ne et la partie 10, la tangente à la generatrice de celle-ci se confond avec la generatrice du tronc de cône. Au point 12 à l'extremite de la buse, la tangente à la genératrice de la partie concave est presque parallèle à l'axe dela buse.
Une telle buse perfectionnée suivant llinvention présente l'avantage non négligeable, grâce à la forme de son extrémité
de sortie, d'éliminer les risques de penetration de projec-tions d'oxydes ou même de metal à partir du bain de metal fondu.

~"
La buse suivant l'invention peut ~tre réalisée en divers matériaux. On préfère souvent utiliser le cuivre.
Il est important d'usiner convenablement les surfaces inté~
rieures et de leur donnerun bon état de surface pour éviter l'accrochage de particules d'oxydes ou de métal projetées.
En général, on raccorde la buse a une lance métallique refroidie par un fluide convenable.
Bien que les exemples qui viennent d'être donnés portent sur des essais effectués sur depetitesquantités, on a vérifié que les résultats obtenus sont extrapolables à l'échelle industrielle. C'est ainsi que les angles au sommet des divergents tronconiques suivant l'invention conduisent aussi à des resultats optimaux aans le cas des buses de forte section ut;lisées pour le traitement des fontes en quantites industrielles.
De plus, bien que la buse qui fait l'objet de l'invention ait eté expérimentée principalement dans le cas de la décarburation des fontes au chrome, des essais ont montré qu'elle pouvait être utilisee aussi avantageusement pour la decarburation de tous types de fontes.
C'est ainsi que, de la facon la plus generale, on peut utiliser des lances à oxyg~ne equipees de buses suivant l'invention pour la decarburation des fontes en convertisseur basique par des procedés tels que le LD ou par des procédes analogues.
Dans ces differents cas, l'utilisation de buses suivant l'invention permet d'accroltre l'efficacite et la rapidite de la décarburation et permet aussi d'augmenter le rendement en fer.

Claims (8)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Buse pour la décarburation des fontes par jet d'oxygène supersonique, caractérisée en ce qu'elle comporte un divergent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70°.

2. Buse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le divergent tronconique a un angle au sommet compris entre 62 et 66°.

3. Buse suivant la revendication 2, caractérisée en ce que cet angle au sommet est voisin de 65°.

4. Buse suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que son divergent comporte au-delà de la partie tronconique une surface de révolution autour du même axe dont la courbe génératrice présente une concavité orientée vers l'intérieur.

5. Buse suivant la revendicaiton 1, caractérisée en ce que ledit divergent a une partie tronconique prolongée par une surface de révolution autour d'un même axe, dont la génératrice présente une concavitée orientée vers l'intérieur la tangente à la courbe génératrice étant confondue à l'ori-gine avec la génératrice du cône.

6. Buse suivant la revendication 5, caractérisée en ce que cette génératrice a une extrémité où ladite tangente est parallèle audit axe ou est proche du parallelisme.

7. Procédé de réalisation d'une émulsion d'une fonte au chrome au moyen d'une buse émettant un jet d'oxygène supersonique, caractérisé en ce que la buse comporte un diver-gent tronconique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 70°.

8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé
en ce qu'on maintient ladite émulsion, qui permet la décarbu-ration de la fonte, jusqu'à ce que la teneur en carbone atteigne environ 0,2%.