EP0468832B1 - Four de maintien en température et de traitement métallurgique - Google Patents

Four de maintien en température et de traitement métallurgique Download PDF

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EP0468832B1
EP0468832B1 EP91401742A EP91401742A EP0468832B1 EP 0468832 B1 EP0468832 B1 EP 0468832B1 EP 91401742 A EP91401742 A EP 91401742A EP 91401742 A EP91401742 A EP 91401742A EP 0468832 B1 EP0468832 B1 EP 0468832B1
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Jean Foulard
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D27/00—Stirring devices for molten material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B22D1/002—Treatment with gases
    • B22D1/005—Injection assemblies therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/005—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like with heating or cooling means
    • B22D41/01—Heating means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/06—Constructional features of mixers for pig-iron
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B3/04—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces of multiple-hearth type; of multiple-chamber type; Combinations of hearth-type furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/06—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces with movable working chambers or hearths, e.g. tiltable, oscillating or describing a composed movement
    • F27B3/065—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces with movable working chambers or hearths, e.g. tiltable, oscillating or describing a composed movement tiltable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
    • F27D2099/004—Heating elements or systems using burners directed upon the charge, e.g. vertically

Definitions

  • the present invention relates to a furnace for maintaining the temperature and metallurgical treatment of a metal in the liquid state, of the type comprising a container of liquid metal equipped, in the upper part, with a burner of the oxygen-fuel or air-type oxy-fuel, in the lower part, of at least one porous plug for the injection of a neutral stirring gas, and of opening means for the introduction and / or the withdrawal of charges.
  • mixers in the form of pockets lined with refractories and equipped with an air-fuel burner to store the liquid metal as it leaves the melting apparatus and attempt to limit the temperature drop before its subsequent use.
  • induction furnaces crucibles for medium capacities, with channels for the largest, but in cast iron foundries, the investment and operating costs of induction are very important.
  • an aluminothermic operation is carried out directly in a bag consisting of an addition of aluminum to the metal, then an injection of oxygen and a mixing of homogenization and decantation of the liquid metal at l help of argon.
  • This process although used industrially, heats the metal, but does not allow any metallurgical treatment.
  • a holding oven has been produced in the form of the traditional metallurgical ladle, which has been fitted with an oxy-fuel burner, mounted through an attached ladle cover. , and a porous bottom plug, all allowing good heat transfer.
  • This achievement is however extremely rudimentary, and it leads to losses significant thermal and does not allow the implementation of metallurgical treatments.
  • the subject of the present invention is a furnace for maintaining the temperature and metallurgical treatment of a metal in the liquid state making it possible not only to limit the temperature drop but also a certain reheating of the liquid metal and also treatment additions and which , in addition to the storage and heating of the metal, makes it possible to adjust or modify the chemical composition of the latter and optionally to make it react with other elements such as a slag for example.
  • the container is made in the form of a closed insulated cylindrical enclosure tiltable around its longitudinal axis, arranged horizontally and having a vault and two passages with vertical component, one at a end of the enclosure, in the form of a chimney opening into the enclosure near the vault of the enclosure and serving for the introduction of liquid metal, the other, in the vicinity of an opposite end, in the form of an opening chute internally at the level of the bottom of the enclosure and the outlet of which comes, in the position of withdrawal of liquid metal, in a tilted position of said enclosure, the burner being mounted in the roof of the enclosure, on the side of the withdrawal passage.
  • the enclosure is almost completely closed, which simplifies handling and avoids excessive heat loss, while allowing metallurgical treatment maneuvers, such as the introduction of reactive products.
  • the neutral argon or nitrogen gas blown from the bottom allows thermal and metallurgical homogenization.
  • an oven is in the form of a cylindrical enclosure 2 and two bottom walls 3 and 4, made of refractory material, if necessary with an additional thermal insulation.
  • This cylindrical enclosure is designed so that the ratio between the axial length L and its diameter A is advantageously between 1.4 and 1.8 and preferably of the order of 1.6 to, on the one hand limit the losses walls and, on the other hand, minimize variations in the height of the liquid metal.
  • This cylindrical enclosure is mounted on a horizontal tilting axis XY along the axis of the cylinder.
  • a liquid metal introduction passage 5 in the form of a chimney passing through the bottom wall 3 and opening into this furnace at 6 at a high level of the furnace.
  • a second passage 7 is formed, in the vicinity of the other wall 4, by a lateral extension in refractory and opens tangentially at 8 to the internal wall of the enclosure 1 and, in the operational position - position visible in FIG. 2- s pupil to lead into 9 at a level higher than the maximum level N1 of liquid metal 10.
  • a service door 12 also forming an access passage for the release of any supernatant dross as shown at 11 in FIG. 2.
  • At least two porous plugs 14 and 15 are arranged in the low position through the cylindrical enclosure wall 2, one 14 closer to the end wall 3, the other 15 more than the end wall 4 , for the injection of a stirring gas such as argon, and these porous plugs 14 and 15 are inclined with an angular offset a relative to the bottom line F, so as to be flush with the outlet 8 of the withdrawal passage 7
  • a stirring gas such as argon
  • a burner 17 of the oxygen-fuel type, vertically adjustable, is mounted at a high point or arch of the cylindrical wall 2 of the enclosure 1 and it is located longitudinally closer to the end wall 4 than to the wall of end 3, substantially perpendicular to the passage 7, so as to provide preferential heating on the discharge side of the liquid metal and also increase the residence time of hot gas before exhaust via the chimney duct 5, which improves the transfer thermal towards the metallic mass. It is understood that, during the treatment, the metal introduced through the passage 5 flows along the arrow f (FIG. 1) longitudinally towards the outlet end 8, while being stirred by the neutral gas blown in by the porous plugs 14 and 15.
  • the enclosure 1 is tilted according to the arrow f ' to bring the withdrawal chute 7 in the low position.

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Description

  • La présente invention concerne un four de maintien en température et de traitement métallurgique d'un métal à l'état liquide, du type comprenant un conteneur de métal liquide équipé, en partie haute, d'un brûleur du type oxygène-combustible ou aéro-oxy-combustible, en partie basse, d'au moins un bouchon poreux pour l'injection d'un gaz neutre de brassage, et de moyens d'ouverture pour l'introduction et/ou le retrait de charges.
  • Un four de ce type est décrit dans le document EP-A-0.217.094.
  • Le problème du stockage et du maintien en température du métal liquide se pose dans bien des ateliers métallurgiques et de façon quasi-systématique dans les fonderies de moyenne importance.
  • On a proposé d'utiliser à cet effet des mélangeurs sous forme de poches garnies de réfractaires et équipés d'un brûleur air-combustible pour emmagasiner le métal liquide à sa sortie de l'appareil de fusion et tenter de limiter la chute de température avant son utilisation ultérieure. D'efficacité très limitée, pratiquement tous ces appareils ont été remplacés par des fours à induction, à creuset pour les moyennes capacités, à canaux pour les plus importantes, mais en fonderie de fonte, les coûts d'investissement et de fonctionnement des fours à induction sont très importants.
  • En sidérurgie, ce problème a été résolu en développant un four-poche chauffé par l'arc électrique.
  • Deux variantes utilisant l'oxygène comme comburant ont toutefois été essayées :
  • Selon l'une des variantes, on procède à une opération d'aluminothermie pratiquée directement en poche consistant en une addition d'aluminium au métal, puis en une injection d'oxygène et un brassage d'homogénéisation et de décantation du métal liquide à l'aide d'argon. Ce procédé, bien qu'utilisé industriellement, permet de réchauffer le métal, mais ne permet aucun traitement métallurgique.
  • Selon une autre variante, décrite dans le document sus-mentionné, on a réalisé un four de maintien sous forme de la traditionnelle poche métallurgique, que l'on a équipé d'un brûleur oxycombustible, monté au travers d'un couvercle de poche rapporté, et d'un bouchon poreux de fond, le tout permettant un bon transfert thermique. Cette réalisation est cependant extrêmement rudimentaire, et elle conduit à des pertes thermiques importantes et ne permet pas non plus la mise en oeuvre de traitements métallurgiques.
  • La présente invention a pour objet un four de maintien en température et de traitement métallurgique d'un métal à l'état liquide permettant non seulement de limiter la chute de température mais encore un certain réchauffage du métal liquide et également des additions de traitement et qui, en plus du stockage et du réchauffage du métal, permet d'ajuster ou de modifier la composition chimique de celui-ci et éventuellement de le faire réagir avec d'autres éléments tels qu'un laitier par exemple.
  • Pour ce faire, selon un aspect de l'invention, le conteneur est réalisé sous forme d'une enceinte cylindrique calorifugée fermée basculable autour de son axe longitudinal, agencé horizontalement et ayant une voûte et deux passages à composante verticale, l'un à une extrémité de l'enceinte, en forme de cheminée débouchant dans l'enceinte près de la voûte de l'enceinte et servant à l'introduction de métal liquide, l'autre, au voisinage d'une extrémité opposée, en forme de goulotte débouchant intérieurement au niveau du fond d'enceinte et dont le débouché vient, en position de soutirage de métal liquide, dans une position basculée de ladite enceinte, le brûleur étant monté dans la voûte de l'enceinte, du côté du passage de soutirage.
  • De la sorte, l'enceinte est presque totalement fermée, ce qui simplifie la manutention et évite des déperditions thermiques trop importantes, tout en autorisant les manoeuvres de traitement métallurgiques, telles l'introduction de produits réactifs. Le gaz neutre argon ou azote insufflé par le fond permet une homogénéisation thermique et métallurgique.
  • Avantageusement, on peut mettre en outre en oeuvre l'une ou l'autre des dispositions suivantes :
    • on agence une porte latérale de visite située en position haute, permettant d'effectuer aisément toutes sortes d'additions et le retrait de toute crasse surnageante ; de préférence, la porte de visite est située entre le brûleur et le passage d'introduction ;
    • le brûleur de voûte est situé sensiblement à l'aplomb du côté du passage de soutirage, ce qui permet de dispenser le maximum d'énergie thermique du côté où se présente un risque de bouchage par solidification ;
    • on prévoit plusieurs bouchons poreux agencés entre les extrémités opposées de l'enceinte ;
    • les bouchons poreux sont inclinés par rapport à la verticale en direction opposée de la porte de visite, ce qui favorise le décrassage et améliore le transfert thermique lorsque le four est basculé ;
    • un des bouchons poreux est situé au niveau du débouché du passage de soutirage ;
    • le rapport L/A, longueur de la chambre cylindrique du four à son diamètre, est compris entre 1,3 et 1,9, de préférence de l'ordre de 1,6.
  • Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du four selon I-I de la figure 2 ;
    • la figure 2 est une vue en coupe transversale de ce même four selon II-II de la figure 1.
  • En se référant aux figures 1 et 2, un four se présente sous forme d'une enceinte cylindrique 2 et deux parois de fond 3 et 4, en matériau réfractaire, le cas échéant avec un calorifuge supplémentaire. Cette enceinte cylindrique est conçue de façon que le rapport entre la longueur axiale L et son diamètre A soit avantageusement compris entre 1,4 et 1,8 et de préférence de l'ordre de 1,6 pour, d'une part limiter les pertes de parois et, d'autre part, minimiser les variations de hauteur du métal liquide.
  • Cette enceinte cylindrique est montée sur un axe de basculement horizontal X-Y selon l'axe du cylindre. A une extrémité axiale du cylindre 1 est agencé un passage d'introduction de métal liquide 5 sous forme d'une cheminée traversant la paroi de fond 3 et débouchant dans ce four en 6 à un niveau haut du four. Un second passage 7 est formé, au voisinage de l'autre paroi 4, par une extension latérale en réfractaire et débouche tangentiellement en 8 à la paroi interne de l'enceinte 1 et, en position opérationnelle -position visible à la figure 2- s'élève pour déboucher en 9 à un niveau supérieur au niveau maximal N₁ de métal liquide 10. Entre les parois d'extrémités 3 et 4 de l'enceinte est ménagée une porte de visite 12 formant également passage d'accès pour le dégagement de crasses surnageantes éventuelles comme représenté en 11 à la figure 2.
  • Au moins deux bouchons poreux 14 et 15 sont agencés en position basse au travers de la paroi cylindrique d'enceinte 2, l'un 14 plus près de la paroi d'extrémité 3, l'autre 15 plus de la paroi d'extrémité 4, pour l'injection d'un gaz de brassage tel argon, et ces bouchons poreux 14 et 15 sont inclinés avec un décalage angulaire a par rapport à la ligne de fond F, pour être à fleur avec le débouché 8 du passage de soutirage 7. On réalise ainsi une turbulence accentuée au niveau de ce débouché 8, qui évite tout risque de solidification d'une part, et, d'autre part, assure une propulsion pneumatique par les bulles 16 des crasses surnageantes 11 vers la porte de visite 12, ce qui permet leur extraction aisée.
  • Un brûleur 17 du type oxygène-combustible, réglable verticalement, est monté en un point haut ou voûte de la paroi cylindrique 2 de l'enceinte 1 et il se situe longitudinalement plus près de la paroi d'extrémité 4 que de la paroi d'extrémité 3, sensiblement à l'aplomb du passage 7, de façon à assurer une chauffe préférentielle côté évacuation du métal liquide et aussi augmenter le temps de séjour de gaz chaud avant l'échappement par le conduit-cheminée 5, ce qui améliore le transfert thermique vers la masse métallique. On comprend que, lors du traitement, le métal introduit par le passage 5 s'écoule selon la flèche f (figure 1) longitudinalement vers l'extrémité de sortie 8, tout en étant brassé par le gaz neutre insufflé par les bouchons poreux 14 et 15.
  • En fin d'attente ou de traitement, l'enceinte 1 est basculée selon la flèche f' pour amener la goulotte de soutirage 7 en position basse.
  • Différentes modifications peuvent être faites, notamment pour améliorer le transfert thermique vers le métal en fusion. L'une de ces modifications consiste à monter le brûleur de façon mobile selon un axe vertical, de façon à déterminer sa position selon le niveau de métal en fusion. De même, on peut avantageusement disposer un clapet réfractaire sur le conduit-cheminée 5, ce qui permet de faire fonctionner le four en légère surpression, et améliore ainsi le transfert thermique.

Claims (8)

  1. Four de maintien en température et de traitement métallurgique d'un métal à l'état liquide, comprenant un conteneur (2) de métal liquide équipé, en partie haute, d'un brûleur (17) du type oxygène combustible ou aéro-oxycombustible, en partie basse, d'au moins un bouchon poreux (14, 15) pour l'injection d'un gaz neutre de brassage, et de moyens d'ouverture (5, 7) pour l'introduction et/ou le retrait de charges, caractérisé en ce que le conteneur est réalisé sous forme d'une enceinte cylindrique calorifugée fermée (1) basculable autour de son axe longitudinal (X-Y), agencé horizontalement et ayant une voûte et deux passages à composante verticale, l'un (5), à une extrémité (3) de l'enceinte, en forme de cheminée débouchant dans l'enceinte près de la voûte de l'enceinte (1) et servant à l'introduction de métal liquide, l'autre (7), au voisinage d'une extrémité opposée (4), en forme de goulotte débouchant intérieurement (8) au niveau du fond d'enceinte et dont le débouché (9) vient, en position de soutirage de métal liquide, dans une position basculée de ladite enceinte, le brûleur (17) étant monté dans la voûte de l'enceinte,du côté du passage de soutirage (7).
  2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une porte latérale de visite (12) située en position haute.
  3. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur (17) est situé sensiblement à l'aplomb du passage de soutirage (7).
  4. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux bouchons poreux (14-15) agencés entre les extrémités opposées (3, 4) de l'enceinte.
  5. Four selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la porte de visite (12) est située entre le brûleur (17) et le passage d'introduction (5).
  6. Four selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les bouchons poreux (14-15) sont disposés dans une position inclinée par rapport à la verticale en direction opposée de la porte de visite (12).
  7. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un des bouchons poreux (15) est situé au niveau du débouché (8) du passage de soutirage (7).
  8. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport L/A est compris entre 1,3 et 1,9, L étant la longueur de la chambre cylindrique du four et A, son diamètre.
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