EP0110809B1 - Process and installation for the treatment of steel in the ladle - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé pour le traitement métallurgique de l'acier en poche, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.The present invention relates to a method for the metallurgical treatment of ladle steel, as well as to an installation for implementing this method.
Depuis plusieurs années, et notamment en raison de l'introduction de la coulée continue, de plus en plus d'aciéries procèdent à des traitements métallurgiques dans la poche destinée au transport de l'acier du convertisseur ou du four électrique vers les installations de coulée. Ces traitements sont de différentes natures. Les procédés les plus couramment employés sont :
- 1. Les procédés de déphosphoration ;
- 2. Les procédés de désulfuration par injection au moyen d'un gaz neutre ou réducteur de matières désulfurantes sous forme métallique telles que p. ex. le calcium-silicium, ou sous forme de laitiers, tels des laitiers Perrin ou des laitiers constitués p. ex. de chaux et de spath-fluor etc. ; d'autres matières telles que le magnésium ou le carbure de calcium, peuvent également être utilisées ;
- 3. Les procédés de désoxydation par addition ou par injection d'aluminium, de ferro-silicium, de calcium-silicium etc. ; les processus de désulfuration et de désoxydation peuvent d'ailleurs être combinés ;
- 4. Les procédés de réchauffage par arc électrique ou par induction ;
- 5. Les procédés d'affinage ou de purification de l'acier, soit par le vide, soit par simple barbotage avec ou sans ajoutes de laitier.
- 1. The dephosphorization processes;
- 2. Desulfurization processes by injection using a neutral or reducing gas of desulfurizing materials in metallic form such as p. ex. calcium-silicon, or in the form of slags, such as Perrin slags or constituted slags p. ex. lime and fluorspar etc. ; other materials, such as magnesium or calcium carbide, can also be used;
- 3. Deoxidation processes by addition or injection of aluminum, ferro-silicon, calcium-silicon etc. ; the desulfurization and deoxidation processes can moreover be combined;
- 4. Heating processes by electric arc or by induction;
- 5. The refining or purification processes of steel, either by vacuum or by simple bubbling with or without the addition of slag.
La demande de brevet DE-A-1 959 173 décrit un traitement d'acier en poche par l'intermédiaire de laitiers obtenus par combustion d'éléments métalliques, tels que AI, CaSi ou non métalliques, tels que CaO, AI203, NaZC03, NaN03, à l'aide d'un mélange de poudre d'AI avec du nitrate de Na.Patent application DE-A-1 959 173 describes a treatment of ladle steel by means of slag obtained by combustion of metallic elements, such as AI, CaSi or non-metallic, such as CaO, AI 2 0 3 , Na Z C0 3 , NaN0 3 , using a mixture of AI powder with Na nitrate.
D'après la demande de brevet FR-A-2 204 692 ainsi que d'après le brevet US-A-3 971 655 on connaît des dispositifs pour délimiter des zones de bains d'acier exemptes de laitier, par où sont introduites des matières de traitement, combinés à des moyens pour introduire dans les bains des courants de gaz de brassage.According to patent application FR-A-2 204 692 and also from patent US-A-3 971 655, devices are known for delimiting zones of steel baths free of slag, through which are introduced treatment materials, combined with means for introducing into the baths streams of mixing gas.
Le but de l'invention consiste à créer un procédé et une installation permettant d'effectuer une désulfuration, une désoxydation, une épuration ainsi qu'un réchauffement du métal en une unique opération.The object of the invention is to create a method and an installation for carrying out desulfurization, deoxidation, purification and heating of the metal in a single operation.
Ce but est atteint par le procédé tel qu'il est caractérisé dans la revendication 1 et par l'installation telle qu'elle est caractérisée dans la revendication 4. Des variantes préférentielles sont décrites dans les sous-revendications.This object is achieved by the method as characterized in
On ajoute au métal liquide au moyen d'une .lance des matières combustibles telles que l'aluminium métallique, le carbure de calcium, le calcium-silicium, le calcium-aluminium ainsi qu'éventuellement des matières scorifiantes, telles que la chaux ou le spath-fluor, véhiculées par un gaz porteur neutre ou réducteur, et on injecte parallèlement au même point d'impact de l'oxygène, tout en réglant les quantités des ajoutes et de l'oxygène de manière à former les laitiers ayant la composition souhaitée. Le procédé conduit simultanément à la formation d'un laitier très chaud et particulièrement réactif et à une augmentation substantielle de la température de l'acier contenu dans la poche, à condition de favoriser la convection de la chaleur créée à travers le bain. Ceci se fait par l'introduction d'un gaz auxiliaire neutre ou réducteur, insufflé soit par un ou plusieurs éléments perméables logés dans le fond de la poche, sensiblement en-dessous du point d'impact de la lance d'injection, soit par une lance auxiliaire débitant également sensiblement en-dessous de ce même point d'impact.Combustible materials such as metallic aluminum, calcium carbide, calcium-silicon, calcium-aluminum and possibly scorifying materials, such as lime or lime, are added to the liquid metal by means of a lance. spath-fluorine, carried by a neutral or reducing carrier gas, and oxygen is injected at the same point of impact, while adjusting the amounts of additions and oxygen so as to form the slag having the desired composition . The process simultaneously leads to the formation of a very hot and particularly reactive slag and to a substantial increase in the temperature of the steel contained in the ladle, provided that the convection of the heat created through the bath is favored. This is done by the introduction of a neutral or reducing auxiliary gas, injected either by one or more permeable elements housed in the bottom of the bag, substantially below the point of impact of the injection lance, or by an auxiliary lance also discharging substantially below this same point of impact.
Une autre caractéristique du procédé suivant l'invention consiste dans l'utilisation simultanée de moyens en vue d'éviter le contact immédiat entre la scorie qui recouvre le métal, avec les laitiers formés au cours du processùs. Ces moyens qui seront décrits plus en détail par la suite, sont essentiellement un tube plongeur qui permet d'avoir accès au métal dans la poche, tout en évitant la présence dans la zonè de travail des scories entraînées lors du transvasement du métal dans la poche.Another characteristic of the process according to the invention consists in the simultaneous use of means with a view to avoiding immediate contact between the slag which covers the metal, with the slag formed during the process. These means which will be described in more detail below, are essentially a dip tube which allows access to the metal in the pocket, while avoiding the presence in the working zone of the slag entrained during the transfer of the metal into the pocket .
Il est également prévu, suivant l'invention, de ne démarrer le processus qu'après avoir déposé au point d'impact, en-dessous de la tête de lance, une quantité suffisante de laitier de départ. En effet il n'est pas à recommander de démarrer une réaction du type proposé sur une surface de métal nue, mais de prévoir un coussin de laitier qui peut être p. ex. de la chaux, du laitier préfabriqué solide ou liquide, ou un autofondant comme de la poudre exothermique.It is also planned, according to the invention, to start the process only after having deposited at the point of impact, below the lance head, a sufficient quantity of starting slag. Indeed it is not recommended to start a reaction of the type proposed on a bare metal surface, but to provide a slag cushion which can be p. ex. lime, prefabricated solid or liquid slag, or a self-deepening such as exothermic powder.
La scorie qui recouvre le métal après couléé en poche est enlevée dans la mesure du possible. Pour atténuer les effets des restes de scories, on recouvre la surface du bain avec une couche protectrice qui est de préférence de la chaux. Ensuite on abaisse sur les rebords de la poche un couvercle qui fait partie de l'installation suivant l'invention et on démarre le processus de traitement, éventuellement après avoir protégé la partie de la surface du bain qui est exempte du mélange scorie/chaux, par du laitier de départ, comme décrit plus haut.The slag which covers the metal after pouring into a ladle is removed as far as possible. To mitigate the effects of slag residue, the surface of the bath is covered with a protective layer which is preferably lime. Then a lid which is part of the installation according to the invention is lowered on the edges of the pocket and the treatment process is started, possibly after having protected the part of the surface of the bath which is free from the slag / lime mixture, by starting slag, as described above.
L'installation suivant l'invention consiste en une poche métallurgique qui est caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour délimiter une zone de travail dans le bain, les dits moyens coopérant avec des moyens pour injecter dans ladite zone des matières solides et gazeuses et qu'il est prévu des moyens pour introduite dans le bain un courant ascendant de gaz de barbotage, dirigé sur ladite zone. Les moyens délimitant la zone de travail consistent essentiellement en un tube plongeur, connu en soi, qui est muni éventuellement d'un capuchon en vue de permettre une pénétration à travers la couche de scories et la mise à nu d'une zone du bain. Ce tube plongeur peut être soit un tube à compartiment unique, soit un tube subdivisé en plusieurs compartiments. Les moyens d'injection des matières solides et gazeuses sont une ou plusieurs lances verticales débitant par le haut, tandis que les moyens destinés à fournir le gaz de barbotage sont constitués par des éléments perméables logés dans le fond de la poche et/ou par une lance submergée.The installation according to the invention consists of a metallurgical ladle which is characterized in that it comprises means for delimiting a working zone in the bath, the said means cooperating with means for injecting into said zone solid and gaseous materials and that means are provided for introducing into the bath an upward flow of bubbling gas, directed onto said zone. The means delimiting the working area essentially consist of a dip tube, known per se, which is provided tipping of a cap to allow penetration through the slag layer and the exposure of an area of the bath. This dip tube can be either a single compartment tube or a tube subdivided into several compartments. The means for injecting solid and gaseous materials are one or more vertical lances discharging from above, while the means intended for supplying the bubbling gas consist of permeable elements housed in the bottom of the bag and / or by a submerged lance.
D'autres avantages du procédé et de l'installation suivant l'invention ressortiront de la description des dessins schématisés qui représentent des formes d'exécution possibles de l'installation.Other advantages of the method and of the installation according to the invention will emerge from the description of the schematic drawings which represent possible embodiments of the installation.
La fig. 1 montre une coupe à travers une forme d'exécution de l'installation, mettant en oeuvre un tube plongeur à compartiment unique. La fig. 2 montre une coupe à travers un tube plongeur à deux compartiments.Fig. 1 shows a section through an embodiment of the installation, using a single compartment dip tube. Fig. 2 shows a section through a dip tube with two compartments.
En fig. 1 on distingue la poche 1 munie d'une couche de réfractaire non représentée ; dans le fond de la poche est logé un élément perméable 2 servant à injecter le gaz de barbotage inerte ou réducteur G. Un unique élément 2 a été représenté pour des raisons de commodité. On distingue également le couvercle 4 qui recouvre la poche pour éviter les pertes thermiques et pour empêcher l'entrée de l'air ambiant et qui sertit le tube plongeur 5 ; ce dernier présente à sa base un capuchon 5e en tôle fine, destiné à traverser la couche de scories qui nage sur l'acier 3 dans la poche pour éviter que ces scories pénètrent dans le tube 5. Après l'enfoncement du tube 5 dans le bain 3, c. à d. après la pose du couvercle 4 sur la poche 1, le capuchon 5e ayant traversé la couche de scories, fond dans le métal liquide. Le barbotage obtenu par un gaz injecté par le bas, permet dans bien des cas d'éviter l'utilisation du capuchon 5e en créant une zone libre de scorie dans la région du tube 5. Le tube 5 est muni d'un couvercle 5c qui présente des échappements pour gaz 5d. Ce couvercle sertit une lance 6 servant à l'introduction de matières solides et gazeuses. Le tube 5 comporte également un revêtement de. protection intérieur et extérieur (non-représenté).In fig. 1 there is a
Au cours d'essais il fut en effet constaté que le tube plongeur était soumis à une usure relativement importante provoquée d'un côté par la température élevée régnant à l'intérieur du tube et d'un autre côté par l'attaque des composés particulièrement réactifs auxquels il est exposé. Pour augmenter la durée de vie de ces tubes, on peut évidemment les recouvrir sur leur surface interne de revêtements réfractaires spéciaux contenant p. ex. des composés de zirconium ou de chrome-magnésie. Or ces revêtements ne sont pas seulement chers, mais également difficiles à déposer. En outre, étant donné les conditions d'emploi de ces tubes, de tels revêtements ne doivent pas seulement supporter des températures élevées, être insensibles à des laitiers d'une réactivité élevée, mais également bien adhérer au tube lors de chutes resp. d'élévations brusques de température. Il s'est avéré particulièrement avantageux d'utiliser un revêtement composé de matériaux dégageant soit sous l'action de températures élevées, soit par réaction avec le bain métallique respectivement les laitiers et/ou avec l'oxygène de combustion, un gaz capable de diminuer respectivement d'éliminer le contact entre conteneur et contenu. On peut utiliser en principe n'importe quels matériaux présentant les qualités précédemment décrites qui n'aboutissent pas, par suite de leur décomposition, à l'introduction de matières indésirables dans le bain de métal. Il est évidemment avantageux de choisir ou d'inclure des matériaux qui se décomposent partiellement en composés ayant un effet bénéfique sur le traitement métallurgique en cours.During tests it was indeed found that the dip tube was subjected to a relatively significant wear caused on the one hand by the high temperature prevailing inside the tube and on the other hand by the attack of the compounds particularly reagents to which it is exposed. To increase the service life of these tubes, it is obviously possible to cover them on their internal surface with special refractory coatings containing p. ex. zirconium or chromium-magnesia compounds. These coatings are not only expensive, but also difficult to remove. In addition, given the conditions of use of these tubes, such coatings must not only withstand high temperatures, be insensitive to slag with high reactivity, but also adhere well to the tube during falls resp. sudden temperature rises. It has proven to be particularly advantageous to use a coating composed of materials which give off either under the action of high temperatures or by reaction with the metallic bath respectively the slag and / or with combustion oxygen, a gas capable of reducing respectively to eliminate the contact between container and content. In principle, any material having the qualities described above can be used which, as a result of their decomposition, does not result in the introduction of undesirable materials into the metal bath. It is obviously advantageous to choose or include materials which partially decompose into compounds having a beneficial effect on the metallurgical treatment in progress.
Des revêtements protecteurs adéquats peuvent être obtenus par dépôt de carbonate de calcium, de magnésium, de soude, etc. mélangé à des liants, qui seront projetés selon des méthodes connues sur la surface du récipient métallurgique ou du dispositif qu'on va introduire dans le métal liquide. Ces matières, au contact de la chaleur des réactions respectivement du bain métallique ou des laitiers, dégageront leur CO2, tout en provoquant une réaction endothermique qui contrarie l'effet corrosif des hautes températures engendrées par la réaction.Adequate protective coatings can be obtained by depositing calcium carbonate, magnesium, soda, etc. mixed with binders, which will be sprayed according to known methods on the surface of the metallurgical container or of the device which will be introduced into the liquid metal. These materials, in contact with the heat of the reactions of the metal bath or slag respectively, will release their CO 2 , while causing an endothermic reaction which counteracts the corrosive effect of the high temperatures generated by the reaction.
Le revêtement protecteur pourra également être constitué de matières combustibles telles que du bois, des agglomérés de bois et/ou de carton. Il ne sort pas du cadre de l'invention de constituer des revêtements protecteurs au moyen d'un mélange de matières combustibles et de carbonates en employant p. ex. du bois aggloméré respectivement des cartons additionnés et/ou imprégnés de carbonates de préférence basiques.The protective coating may also consist of combustible materials such as wood, wood agglomerates and / or cardboard. It is not beyond the scope of the invention to form protective coatings by means of a mixture of combustible materials and carbonates by using p. ex. of agglomerated wood respectively of cartons added and / or impregnated with carbonates preferably basic.
On peut utiliser soit une seule lance, qui devra donc être un engin multiflux, capable de débiter par des canaux séparés des matières solides et gazeuses éventuellement non compatibles et dont le contact avant la sortie de la lance doit être évité. En effet, on peut facilement imaginer qu'il faut éviter que la poudre d'aluminium métallique et l'oxygène n'entrent en contact dans la lance d'insufflation elle-même. Pour éviter la mise en oeuvre d'une lance complexe on peut également prévoir deux lances, dirigées vers un même point d'impact et dont l'une servira à injecter les matières combustibles véhiculées par du gaz inerte et l'autre à fournir l'oxygène.Either a single lance can be used, which must therefore be a multiflux machine capable of delivering through separate channels solid and gaseous materials which may not be compatible and the contact of which before leaving the lance must be avoided. Indeed, one can easily imagine that it is necessary to prevent the metallic aluminum powder and the oxygen from coming into contact in the insufflation lance itself. To avoid the use of a complex lance, it is also possible to provide two lances, directed towards the same point of impact and one of which will be used to inject the combustible materials conveyed by inert gas and the other to provide the oxygen.
En fig. 1 il est représenté une seule lance 6 multiflux, approvisionnée en oxygène par une conduite 11 et en matières combustibles par une conduite 7. Ces matières sont stockées dans des réservoirs 8 munis de doseurs alvéolaires 9 ; la conduite 7 est raccordée à une source de gaz inerte G qui peut être un gaz neutre ou réducteur. Il est également représenté une lance 10 destinée à fournir du gaz de barbotage G et qui peut se substituer à l'élément perméable 2 ou le compléter dans le cas où le débit du ou des éléments perméables 2 s'avérait insuffisant pour distribuerIn fig. 1 there is shown a
la chaleur créée par voie chimique à travers le bain et pour effectuer une épuration valable du bain par un contact étendu entre le métal et les laitiers épurants créés in situ. Enfin la poche 1 est munie d'un système de trou de coulée 20.the heat created chemically through the bath and to effect a valid purification of the bath by extensive contact between the metal and the purifying slag created in situ. Finally, the
La fig. 2 représente un tube plongeur 50 dont la principale particularité consiste en ce qu'il est subdivisé en deux compartiments 5a et 5b. Le compartiment 5a délimite la zone de travail dans laquelle on introduit par l'intermédiaire de la lance 6 des matières solides et de t'oxygène. Quant au compartiment 5b il communique avec le compartiment 5a pour l'ouverture 30 qui est pratiquée dans la cloison de séparation entre les deux compartiments. Le compartiment 5a est muni à sa base d'un fond 12 qui présente une ouverture 12a de faible envergure, tandis que le compartiment 5b est ouvert vers le bas. On distingue également le revêtement de protection thermique intérieur 51 et extérieur 52.Fig. 2 shows a
Le but de la forme d'exécution représentée en fig. 2 est d'obtenir une combustion aussi complète que possible des matières injectées dans le compartiment 5a, l'opération de chauffage et d'affinage du métal ayant lieu essentiellement dans le compartiment 5b, qui ne contient que le laitier chauffant et affinant à très faible teneur en matières désoxydantes. Ce double tube est utilisé lorsqu'on veut fabriquer des aciers à très basse teneur en matières désoxydantes. Dans ce cas, on veillçra à ce que les éléments perméables 2 respectivement la lance 10, fournissant le gaz de barbotage G, se trouvent en dessous du compartiment 5b, dans lequel a lieu l'opération d'affinage ainsi que la transmission calorifique. Ainsi le laitier formé en 5 a déborde dans la partie 5b où il se fait un barbotage intense entre le métal et le laitier chaud.The purpose of the embodiment shown in fig. 2 is to obtain as complete a combustion as possible of the materials injected into
Dans le cas de l'emploi du double tube, il n'est par ailleurs pas nécessaire d'injecter le mélange chauffant et affinant au moyen d'une lance et . d'un gaz porteur dans la zone 5a ; en effet il suffit en principe de laisser s'écouler ce mélange, p. ex. en chute libre dans la zone 5a et d'injecter l'oxygène nécessaire à la combustion des éléments thermogènes dans cette zone, en veillant à y créer une turbulence suffisante.In the case of the use of the double tube, it is also not necessary to inject the heating and refining mixture by means of a lance and. a carrier gas in
Ci-après quelques exemples convenant particulièrement à une mise en oeuvre à l'aide d'installations représentées en fig. 1 ou 2.Below are some examples which are particularly suitable for use with the installations shown in FIG. 1 or 2.
120 tonnes d'acier se trouvent dans une poche. Après décrassage soigneux on remplace la scorie par de la chaux en poudre. La température du métal est de 1 610 °C ; la teneur en soufre est de 0,015 %. On veut abaisser cette teneur et chauffer le métal à 1 670 °C pour pouvoir couler le métal en continu pendant 50 minutes.120 tonnes of steel are in a pocket. After careful cleaning, the slag is replaced by powdered lime. The temperature of the metal is 1,610 ° C; the sulfur content is 0.015%. We want to lower this content and heat the metal to 1,670 ° C to be able to continuously cast the metal for 50 minutes.
L'élément thermogène insufflé sera de l'aluminium sous forme de poudre ou de granules, mélangé à du carbure de calcium, également en poudre ou en granules, dans une proportion de 1,6 kg de CaC2 à 0,74 kg d'Al, ainsi qu'éventuellement 3 à 10 % de CaF2 destiné à améliorer la fluidité de la scorie.The blown thermogenic element will be aluminum in the form of powder or granules, mixed with calcium carbide, also in powder or granules, in a proportion of 1.6 kg of CaC 2 to 0.74 kg of Al, as well as possibly 3 to 10% of CaF2 intended to improve the fluidity of the slag.
En injectant par tonne d'acier 1 kg de ce mélange avec 0,7 à 0,9 m3 d'oxygène, on augmente la température du bain métallique de 18°. Pour aboutir à l'augmentation de la température de 60 °C, il faut injecter 3,3 kg de mélange par tonne d'acier, soit 400 kg de mélange AI CaC2, sans tenir compte des 20 kg de fluorure de calcium destinés à régler la viscosité de la scorie. Les 400 kg sont injectés en 20 minutes, ce qui correspond à une augmentation de température de 3 °C par minute. Pendant toute la durée de l'opération, un intense courant d'argon est injecté par l'élément perméable 2 et/ou par la lance 10. L'injection d'argon est poursuivie pendant 5 minutes après l'injection. Après cette opération, la température visée de 1 670 °C était atteinte et le métal ne contenait plus que 0,004 % de soufre, tout en ayant une excellente pureté micrographique.By injecting per kg of
Les proportions ainsi que les quantités à ajouter sont évidemment fonction des matières à injecter. Ainsi, pour fabriquer suivant l'invention un laitier Perrin in situ, en vue d'une épuration et d'un chauffage simultané, on peut ajouter un mélange de 35 % d'AI et de 65 % CaO. La température augmente d'environ 20 °C par kg d'aluminium ajouté par tonne d'acier. Il faut prévoir 0,6-0,7 Nm3 d'oxygène par kg d'aluminium ajouté.The proportions as well as the quantities to be added obviously depend on the materials to be injected. Thus, to manufacture according to the invention a Perrin slag in situ, for the purpose of purification and simultaneous heating, a mixture of 35% AI and 65% CaO can be added. The temperature increases by around 20 ° C per kg of aluminum added per tonne of steel. 0.6-0.7 Nm 3 of oxygen must be provided per kg of aluminum added.
On peut également mettre en oeuvre un alliage Ca-AI pour fabriquer un laitier épurant et réchauffer simultanément l'acier. Dans ce cas, il faut prévoir l'addition d'un mélange titrant sensiblement 50 % de Ca-AI et 50 % de CaO, avec une addition de 5 à 10 % de spath-fluor comme fluidifiant. Ce mélange fournira une augmentation de 16 à 20 °C par kg de Ca-AI ajouté par tonne d'acier, tout en donnant lieu à un acier titrant moins de 0,004 % de S et ayant une grande pureté micrographique.It is also possible to use a Ca-AI alloy to manufacture a purifying slag and simultaneously heat the steel. In this case, it is necessary to provide for the addition of a mixture titrating substantially 50% of Ca-AI and 50% of CaO, with an addition of 5 to 10% of fluorspar as fluidizer. This mixture will provide an increase of 16 to 20 ° C per kg of Ca-AI added per tonne of steel, while giving rise to a steel titrating less than 0.004% of S and having a high micrographic purity.
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