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~ a pr~ente invention concerne un proc~d~ et un dispositif
utilisables pour le traitement des métau~ tat liquide tel que,
par e~emple~ la conversion o~ydaate de fo~te liquide en acier. Elle
ne fait pas appel à de8 ~et8 i6sUs de lances~ mai~ à des ~et~ U9
de tuyères placés dans l'épaisseur de la psroi ou du ~ond du r~ci-
pient métallurgique.
On connalt de nombreus tgpes distincts de tUwares capablesd'insuffler ou d'in~ecter un ou plu~ieurs fluide~ dans une masse m~-
tallique liquide, afin d'en modifier la composition, soit par
réa¢tionls o~dantes~ soit par réaction réductrices~ soit par brassa-
ge. Ces tuyères ~ont dispos~es à travers l'épaisseur de la paroi ou
du fond du récipient métallurgique, c'est-à-dire qu'elles traver-
sent à la fois la cuirasse m~ta~l~que du récipient et son revêtement
r~fractaire. De telle tuyères peuvent souf~ler soit verticalement
ou obliguement de bas en haut (par e~emple si elles sont disposées
danJ le fond du r~cipient m~tallurgique ou encore vers le bas de
ses partie~ latérale~), soit hori~ontalement~ soit de haut en bas,
et~ dans ce cas~ le plU8 s~u~ent obliguement.
Généralement~de telles tuyares débouchent au-dessous de la
surfaoe du bain ~éta~ ue, mais elles peuvent aussi~ dans certains
cas~ déboucher aud es~us de cette surface.
¢e8 tuyares peu~ent en¢ore ~tre ¢lass~e~ en tuyare~ ~imples~
tuyaros double~ tuyares mNltlples.
~ ne tu~are ~imple~ ~ ~n ~eul conduit~ ne peut être ali~en-
tée que par un seul flus~ soit un fluide unigue~ soit un mélange de
fl~ldes aistinct~.
Une tuyare double~ ~ deur cond~its s~par~s~ peut être ali-
mentée par deu~ flu~ dlstincts.
Une tuyare multiplej a plUsieurs ¢onduits séparés~ peut
être alimentée par plusieurs flux diætincts.
C'est ainsi~ par exemple~ que, pour la conversion de fonte
liquide en acier~ on utiliee parfois des tuy~res constituées de deux
'~.
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tubes concentri~ues, le tube central ~tant al~ment~ en oxygène, et
le tube périphérique en un fluide protecteur de la tuyare contre
l'usure par corrosion à chaud en milieu oxrdant.
~ ne caractéristique gén~rale de tous les ~ets issus de
tuyares co~nue~ est que~ pour un circuit déterminé~ al~menté en un
fluide (ou un mélange de fluide~) donn~ il exi~te ~ chaque ~nAtant
une relation biuni~ogue entre 1~ débit et la pression~ et que l'on
no peut pas moaifier l'un sans agir sur l'autre. Cette relation d~-
bit-pression ¢aractérise la perméabilité du circuit consideré, ou
encore ses "perte~ de ch~rge" ~ un moment donné.
Une con#eguonce importante de cet état de fait est que l'on `
ne peut pae mod~fier lo débit d'un ~et fluide introduit par une
tuy~r8 dans un bain métallique sans modirier au~si so~t impulsion.
On sait que l'expres~s~on de l'impulsion G d'u~ Jet fluide
sortant d'un conduit est, dans 1e cas le plus g~néral, la suivante:
G~ J S ( ~ ~ 2 + p) dS~
expression dans laguelles
e#t la masse voiumigue du f~uide;
~e8t la vitesse du fluide;
P est la pression ~tatique~
S est la eurface transver~ale du Jet.
~ 'impulsion est une force et ~'esprime en ne~ton~. a'est
la force de réaotion du Jet oon~ldéré sur la tu~are~ psrfolo encore
appelée poussée. O'e~t aussi la ~or¢e de pénétration du jet fluide
dans le bain métallique~ considérée à la sortie de la tUyère.
On sait calouler~ en appliquant l'e~pression(~) en fonction
du régime d'é¢oule~ent et aes diver~e8 grandeurs mesurée~ usuelle-
ment~ telles que: pre~sion~ débit~ section de pa~sage.
On conçoit aisément qu'un ~et fluiae a impulsion élevée dé-
bouchant dans un bain métallique présente des caractéri~ti~ues d'or-
dre hydrodgnamigue d'une-part~ d'ordre métallur~ique d'autre part,
différentes de celles d'un ~et de moindre impulsion. r~ dans les
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tuyères de types connu~, ~1 n'est pa9 pO ssible de modifier l'impul-
sion d'un Jet ~luide 3an~ modifier ausei son débit massique, de mê-
me qu'il n'e3t pas possible de modifier son débit massique 8an~ mo-
difier son impulsion.
Cette interdépendan¢e de ces deux grandeurs résulte du
fait que la section de passage ~ la sortie de la tuyère est d~ter-
minée une fois pour toutes et n'est pas réglable à volonté.
Cette servituae peut présenter, dans bon nombre de traite-
ments métallurgiques de m~tau~ liquides~ de sérieu~ inconvénients.
C'est ainsi que~ dan~ la conversion oyydante de fonte li-
. quide en acier, le débit yen de l'ozygène d'affinage est Rouvent
déte~mtné par la durée optimale de l'opération, celle-ci étant fixée
d~iautre part par le temps nécessaire à la fusion complate des fer-
raillos aJout6es au bain ae fonte liguide~ ou par toute autre consi-
d6ration locale.
: Or~ pour u~e hauteur donn~e du bain métallique au-dessu~
au nez d~u~e tugare immergée? la proportion d'oxygène soufflée par
la tuyare et qui émerge du bain~ br~la~t de l'oxyde de carbone en
ga2 carboniqu~ ~ l'intérieur m~me du con~ertisseur, au-dessus du
bain et du la~tier~ est essentiellement fonction de ~'impulsion du
~et. Or~ 11 est tras intéressant de pou~oir régler la proportion
d'o~yae de carbone br~lée en gaz ¢arbonigue ind6pendamment du régla- go du débit d'o~ygane. De meme~ les ¢ondition~ de formatlon du
laitier et donc de la déphosphoratlon~ peu~ent être fonctio~ de
l'lmpulsion des ~et d'oxygène soufflé.
Ie but de la présente in~ention est de pouYoir régler in-
dépendamment l'un de l'autre l'impulslon et le débit massi~ue du
fluide principal d'affinage d'un bain métalligue~ afin d'agir à
volonté sur les phénom~nes d'ordre hgdrodynamique (brassago~ mouve-
ment du baln) et 8ur les phénom~nes d'ordre m~tallureique.
~ cet effet, la présente invention a d'abord pour objetun procédé de traitement des métaux à l'état liquide~ par soufflage
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a'au moin~ un fluide g~n~rateur d'effet chimiques~ r~ducteurs~ ~eu-
tres ou o~ydants, et d~effets d~ordre hydrodynamique, tels que bras-
sage~ ~omogénéi~ation, mou~ements du bain, etc... au moyen de ~ets,
issu~ de la paroi ou du fond du ré¢ipient métallurgique~ ce procéd~
étant caractérisé en ce que le8dit8 ~et8 d~bitant tous le même fluide
générateur ci-dessus mentionné sont r~partis en au moins deu~ grou-
pes d~stin~ts disposant chacun de leur alimentation propre en ledit
fluiae~ de telle ~orte que l'un des groupe~ de jets~ alimenté~
pendant une période dë ~oufflage donnée, sou~ une pre88ion de fluide
0 tr~8 modérée, puisse ~tre constitué de Jet~ à impulsion relati~ement
faible~ tandi~ qu~un autre groupe do ~ets~ alimenté~ pendant la m~me
pérlode de soufflage, sous une pres~ion de fluide ~otablement plu~
forte est constitué de Jets à forte impulsion.
~ a présente in~e~tion a aussi pour ob~et un dispositif de
mi~e en oeu~re du procédé mentionn~ oi-dessus~ constitué par un en-
semble de tuyares de soufflage introduisant en plusieur~ jet~ dans
une mas~e métallique l~guiae~ ou bain métalligue, au ~n~ un fluide
aoDt une partie du aébit massi~ue ~lobal e~t animée d~une forte im-
puIsion~ et une autre partie d~une impuleion plus faible~ ce dispo-
sitir ~tant caractérisé en ce que le~dite3 tuyares sont réparties enau moins deus jeus distincts disposant chacun de leur alimentation
propre en rluido~ cha¢un des ~eu~ de tuyaree pouvant ~tre alimenté
soue une preseion de fluide dif~érente de celle gui alimento le ou
le~ autres Jeux.
Sui~ant une caractéristi~ue particuliare de l~invention,
la eection totale dee ~et~ ou de~ tugares du groupe de~tiné ~ four-
nir une forto lmpulslon pe~dant certainee périodeo spécialee du souf-
flage~ et la ~ection totale des ~ete ou des t~yares du groupe desti-
né à fournir une faible impulsion pendant ces m8mes périoaes sont
calcul~e~ de telle sorte que, compte tenue de la pres~ion amont max~-
male de fluide dont on aispose~ le débit de fluide introduit ~ forte
impulsion~ pour u~ débit global donné de tous les ~ets, 80it adapté
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au~ ré8ultat8 métallurgiques ou h~drodynamiques que l'on veut ob-
tenir pendant Ce8 périodes spéciales de soufflag~ et que, en de-
hors de ce~ p~riodes ~ forte impulsion~ le débit global de fluide
dans l'en8emble de~ tuyares alimentées 810r~ sou8 la m~me pression
et avec une impulsion faible ou dérée reste convenable, compte
tenu par exemple du temps de ~oufflage vi8é.
Sui~ant une autre G~ract~ristique particuli~re de l'~nven-
tion, le procédé selon l'invention s'applique spé¢ialement bien à
l'affinage de l'acier dans des con~ertisseurs soufflant ~e l' ~y-
gane pur par le fond~ et il est alors avantageux que la section to-
tale de paseage de l'o~ygane dan~ le groupe de Jets ~ forto impul-
8ion 80it comprise entre lO~ et 40~ de la section totale de passage
ae tous les ~ets d'oxygane~la pression ma~imale de soufflage de
l'o~ygane mesurée en amount de tuyares ~ forte impulsion pouvant
atre comprise entre 16 et 25 bars.
~ 'in~ention s'appligue spécialement bien au~ tuyères
'o~yg~ne pur protégées contre l'usure par une in~ection périphéri-
gue d'hydrocarbures.
Suivant une caractéristigue partiouliare de l'invention~
dans le cas o~ les tuyares de sou*n age sont plac~es dans le fond
d'un convertisseur~ les tuyares susceptibles de sourrler ~ forte
impulsion 80n:t disposée~ vers le ¢entre de oe ~ond~ afin gue leur
effet d'usure sur lo garni~sage lat~ral réfractaire ne ~oit pas 6en-
~lble.
Suivant une autre caract~ristlque parti¢uliare de l'in-
vention~ 8i l'on utilise de la poudre de chaux en suspension dans un
courant d'o~y~ène pur~la poudre de chaux est ~nsu$n ée dans l'o~-
gano a1imentant les ~ets ~ plus faible impulsion~ et non dans l'oxy-
gane allmentant les ~ets a forte i~pulsion~ car la force vive des
particules de chau~ qui ~ont solides, donc denses~ a souvent trop
tendance à entra~ner ces particules hors du bain~ après s8 traver-
gée.
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Com~e on le comprend, l'un des principau~ a~antage~ du
procédé selon l'in~ention est de permettre~ pour un ~me débit maB-
~ique global dU fluide consid~ré, de faire Varier l'impulsion de~
~etc, et par conséquent leur degré de pénétration dans le bain m~-
tallique ~ traiter, en jouant 8ur les pre~sion8 d'alimentation en
fluide de chaque groupe de ~ets. ~es sections de p~ssage du fluide
dans chaguo groupe doivent être calculées de telle sorte que:
- en p~riode de eoufflage uniforme, pour une pression de soufflage
moyenne alimentant la totalité des ~ets, le débit total de fluide
soit conve~able pour la durée visée de l'opération m~tallurgigue~
- en période de soufM age ~d~séquilibré", ¢'est-`a-dire ave¢ une forte
impulsion sur un groupe de tuyares et plu~ faible imQul~ion sur
le ou les autre~ groupe9~ le débit à forte lmpulsion con~titue
une ~raction convenable pour le~ effets métallurgiques et hydro-
dyn~miques à obtenir.
En termes primitirs~ le~ jets à faible impulsion sont des
Jets "mous" agissant surtout en profondeur~ tandis que le~ Jets ~
forte i~Pulsion sont de~ ~ets aduro", agissant plus en ~urface du
bain métallique.
Grâce à l.invention~ on obtient un effet semblable à celui
gu'on salt dé~à obtenir au moyen de lances soufflant au-dessu~ du
bain métallique lorsgu'o~ fait varler la hau~eur de la lanoe~ ou
enooro lorsqu'on fait varier les oaraot~rietiques aérodgnamique6 du
Jet prlnclpal d'o~ygane~ a~ant sa sortie de la lance~ ou juste ~ cet
endroit~ en provoquant une etriction variable. On sait que~ par l'un
ou l'autre de oes deus moyen~ (hauteur de lance variable~ ou lance
~triction)~ il est poesible a~ favoriser la vitesse de déphospho-
ration du bain métalll~ue par rapport ~ sa ~itesse de décarburation~
ou inversement.
De m~me~ grace a 1~ invention~ mal~ré l'absence de mobilité
des tuyères~ et m~lgré leurs sections de passage fixes, on peut~ en
~ouant 6ur les pressions d'alimentation distinctes des deux groupes
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~ oa~3s6 0
ou des divers groupes de tuyères~ compte tenu de la hauteur du
batn métalllque situé au-de~u~ des section~ de sortie des ~ets,
obtenlr~ par un même d~bit global d'oxygène ou par de~ débits voi-
sins, des effets hgdrodynamiqUes~ chimiques et m~tallurgique~ dif-
féren~s selon que certains jets possadent ou non une forte impulsion
par rapport aux autres.`
~ e~ ~et~ à forte impulsion peuvent permettre en particulier
atagir sur les facteurs suivants (æans que cette 6numération 80it
li~itati~e):
a) ~es vitesses relati~es de la déphosphoration et de la
décarburation.
b) ~a formation d'un laitier liquide.
c) Ia combustion de l'oxyde de carbone en gaz carbonique
au-dessu~ du niveau du bain.
d) Le degré de bras~age du bain par le9 ~ets gazeux et par
les produits issus des réactions, tels que l'ox~de de carbone par
e æ mple.
~$in de bien $aire comprendre l'invention~ on va déorire
¢i-apras~ à titre d'exemple non l~n~tatif~ un ~ode de réalisation
selon l'invention d'une con~ersion de fonte en acier~ alnsi qu'un
mode de réalisation du aispositif de soufflage selon }'invention
permettant d'e$feotuer oette conver~lon.
Pour la commodité do l'expo~é~ le di~positif de sourfla-
ge de cet exemple va être décrit a~ant le procédé métallurgigue de
oonversion qu'il permet de mettre en oeuvre.
Il s'agit dlun convertisseur d'acierle coulant 50 tonnes
d'aoier liquide élabor~ ~ partir d'une fonte ~homas ~ % de phos-
phore et 3~7% de carbone~ par ~oufflage d'oxygane pur au moyen de
9 tuyères doubles protégée~ par du fuel-oil à leur périphérie.
Le tube central de chaque tuy~re, d'un diamatre intérieur
de 20mm~ d'un diamatre e~térieur de 25 mm~ pré~ente une section de
passage pour l'oxygane pur de ~14 mm2.
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Il peut d~biter:
- 45 Nm3/mn~ ~OU8 la pre~sion maximalo d~ 20 bar~ me~ur~e en amont
de la tuyare,
- 5 ~m3/mn, ~OU8 la pre~sion minimale de 2 bars, au-de~sous de la-
quelle le tube centrsl risgueralt d'atre bouché par du ~étal liquide
pendant le soufflage.
~n tube est~rieur~ con~entrique au tube central~ a sa paroi
interne tras pro¢he de la paroi esterne du tube central. Entre ces
deu~ tubes circule le fluide protecteur du nez de la tuyare contre
l'usure ~ chaud~ gut e8t du fuel-oil dans le présent exemple.
La ~igure 1 est un schéma de répartition des neuf tu~ares
~e oourflage aaDs le fond du ¢onvertis~eur.
~a figure 2 est un schéma du systame d'alimentation en osy-
gène de ces neuf tuyares ~elon l'in~ention.
~es tuyeres sont numérotées de 1 ~ 9.
Elles sont r~parties en deus groupes.
~e premier groupe est con~titué par les tuyares ns 1~ 2
et 3~ qui sont les plus centrales- Elles sont al~ment~es en oxygane
p~r le colle¢teur 10.
~e deusiame groupe est con~titué par les tuyares ns 4 à 9.
~lle~ sont alimentée~ en oxygane par le collecteur Il.
Dans ¢et esemple~ la seetion de passage de l'oxygène dans
le~ trois tuyares du premier groupe représente 33~ de la section
totale pour 108 neuf tu~res~ eb la pre~sion maximale d'oxygane dont
o~ dispose en amo~t des tuyares est de 20 bars.
~e premier groupe est celui des tuyares qui soufflent l'o-
~ygan ~ forte imp~lsion pendant certaine~ pha8e8 spéciales du 80U~-
flago-
Pratiquement~ le pr~m~er groupe est alimenté dans tout le
domaine des pressions d'oxyg~ne allant de 2 ~ 20 bars~ tandis que le
deuxiame groupe ~'Utilise en ~ait que des pressions allant de 2
12 bars.
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En outre~ ce deuxième groupe des tu~ases ns 4 ~ 9 e~t
alimenté en oxygane pouvant tenir en suspcnsion de la poudre de chaux.
~ e dispositif selon l!in~ention dans cet exemple étant
ainsi d~crit~ voici maintenant u~ exemple de son fonctionnement~ et
d~une conversion selon l~ ~tion.
Le dispositif de neuf tuyares, selon le pr~sente e~emple,
est utili8~ successive~ent sous deu~ régimes de d~bit~ d~o~ygane.
a) ~n régime normal~ équilibré sur toutes les tuy~res~
a impulsion globale modérée. ~es 9 tu~ères sOnt alors alimentées ~ous
un pression de 12 bars. Chaou~e d'elles débite alors 27 Nm3/mn d~oxy- ~ -
gane Boit 243 Nm3/mn en tout. Cette premiare période dure 8 minutes~
pendant leoguelle~ sont insurnés 1.944~m3/d~o~ygane. ~a tene~r en
carbone du baln~ qui étalt initialement de 3,7% dan~ la fonte a
l~enfournement~ est de~enue 0~850~ tandis gue la teneur en phospho-
ro ost pass~o do 1~% à 1~.
b) Un régime ~ forte impulsion réalisé gr~ce au di~positif
eelon l~n~rention, et renda~t po~sible la mise en oeuvre des condi-
tions de conversion solon l~invention.
San~ poudre de chaus en suspension dans l'o~rgane~ ce ré-
gime est~ dans cet esemple~ le sui~ants
. ~es troi~ tuyares 1~ ? et 3~ alimentées sous 20 bars~ dé-
bitent chaoune~ ~ forte impuloion~ 46 Nm3 d~o~gane par lalnute~ soit
l~Nm3/mn pour les trois tuyareo ensemble. '
. 108 si~c autres tu~rares~ ns 4 à 9~ alimentées sous ~ bars~
débltent chacuno l~m3/mn~ solt lOKl~m3/mn pour les 6 tuyares ensem-
blc.
~e débit global e~t ainsl de 246 Nm3~mn? soit ~ensiblement
le môme gue dans la p~ase préoédente (2~3 Nm3/mn)~ mai~ d~une part
l~impul~ion globale, gr~ce a~ trois tugères ns 1~ 2 et 3 est plus
forte: 6.000 Ne~to~s en~riron contre ~.500 Ne~rtons aa~8 le cas pr~-
cédent~ et d autre part~ surtout~ l~impulsion indi~iduelle de chacu-
ne des tuyères centrales ns 1~ 2 et 3~ est beaucoup plus forte
. . .
_ g _
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(l.S00 Newton~ cha¢une) que celle de chacune des neuf tuy~res dans
la phase prec~dente (500 ~ewtons chacune). Il en résulte que les
~et8 a~o~ygane i~W de~ trois tuyares n8 1~ 2 et ~ 80nt plu9
pénétrant~, et r~agissent en surface du bain métall~que~ et même
au-dessus de cette surface.
De plu9~ da~s le pré~eat exemple~ l~o~ygène souffl~ daD3
le8 8iS tuyares à faible impul8ion peut contenir de la pô ~ dre de
~hau~ en suspen8ion,et la Pression effective de soufflage~ un peu
supérieure à 8 bars~ est alors réglée de façon ~ assurer le passage
danB chacune de ce8 8i~ tuyares:
a- dU d~bit d~oxyg~ne pr~cité de 18 Nm3/mn par tuyare.
b- d~un débit de poudre de chau~ de 72 Kg par minute et
par tU~re.
Dan8 ce8 conditions~ la deu~ième phase de la con~ersion~
réalisée dans le pr~sent exemple 8elon l~invention, permet~ tout en
~abaissant la teneur en carbone du ba~n de 0,850~ ~ 0~027%, d~abais-
8er parallaleme~t sa teneur en phosphore depuis 1~ ~usgu~ 0~100% de
phosphore. Il sufrit ensuite d~un déphosphoration ~ans décarbura-
tion extr~me~ent courte (quelque dizaine8 de seconde~) pour obtenir
la teneur flnale en phosphore désirées 0~025% dan~ cet exemple.
~ a durée de oette deusiame phase de soufflage~ a forte
impulsion, est de 4 minutes, et la durée totale de soufrlage des
deus phaees est dona de 12 minutes, (sans interruption du ~ourflage
ontre les deux phases).
Dans le présent esemple~ les deux prinoipaux avantages
ré~ultant de la pha~e de soufflage a forte impulslon sonts
a) Une déphosphoration qui se produit presque entiarement
en dé~carburation~ et gui~ dè ¢e fait~ est fa~risée par un excel-
lent brassage du laitier et du métal par }~oxyde de carbone i8SU
du bain.
b) Une combustion partielle, au-dessus du bain, de C0 en
2~ gr~ce a une partie de l~oxygane ~oufrl~ par les trois tuy~res
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~ forte impUlsiOn et qui parvie~t à ~merger. Cette combustion secon-
daire accroit le bilan thermi~ue de l'opération de conversion.
Bien entendu, l'e~emple précédent n'est pa3 lim$tatif. Il
est possible dans certains cas, d'achever la déphoephoration en m~me
temps que la décarburation~ ou m8me à une teneur en carbone du bain
supérieure à celle de l'e~tra-dou~. Dans ce dernier cas, il peut
~tre utile de terminer le soufnage~ pendant guelgue~ dizaines de
seco~aes en alimentant toutes le~ tuyères ~ou~ la pre~sion ma~imale
po~slble. linsi~ le brassage entre laitier et métal ee trouve en¢ore
augmenté~ et, 81 la teneur en carbone du bain eet encore #uffisante
¢e moment~ il peut se produire une réduct~on de l'oxyde de fer du
laltier p~r le ¢arbone du bain~ provoguant un eé¢hage du laitier~
gui~ de ce fait~ DQ ~era plus réacti~, et la rephosphoration par re-
tour ~ l'équillbre entre laitier et métal ~e trou~e ainsi évitée. Ce
aerDier mode op~ratoire est ~pécialement applicable dans le ca~ du
traitement aes fontes hématites.
Il est bien entendu~ gue l'on peut~ sane sortlr du oadre
de I'lnvention~ imaginer des variante~ et perfectionnement~ de dé-
t911~ de mame gu'envisager l~emploi de moyen~ équivalents.
