Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La presenbe invention concerne les operations de bras-
sage pneumatique d'un bain de métal en fusion par injection d'un
gaz sous la surface du bain.
On sait que de telles opérations trouvent application
dans divers secteurs industriels et en particulier en siderurgie,
où il a dej~ ete propose (certificat d'utilité fran~ais du 29 août
1975, n 2 322 202 au nom de l'Institut de Recherches de la
Siderurgie Fran~aise) d'etendre les possibilites metallurgiques
des procedes de conversion pneumatique de la fonte en associant,
dans le convertisseur, un soufflage d'oxygène par le haut au
moyen d'une lance emergee, avec une insufflation de gaz inerte
dans le bain metallique pendant et après l'affinage ~ lloxygène
au moyen de dispositifs d'injection débouchant sous la surface et
implantes en paroi ou plus generalement dans le fond du recipient.
Un handicap de cette technique resulte du fait que bien
souvent le brassage pneumatique n'est utile ou recherche, pour le
traitement du metal, que temporairement alors que l'injection de
gaz, qui procure ce brassage, e~t necessaire en permanence pour
eviter que le metal en fuslon vienne boucher le dispositif d'in-
jection en s'y solidifiant.
A cet egard, si, compte tenu des disponibiliiés enpression de l'installation, on calibre le dispositif d'injection
de manière ~ obtenir un debit de gaz optimal pour le brassage,
le debit minimum ~ respecter nécessairement en dehors des perio-
des de brassage pour proteger le dispositif d'injection contre les
risques de boucha~e constitue une pénalité substantielle au plan
economique qui peut ne pas être justifiee par des raisons metallur-
giques.
Inversement, si l'on calibre le dispositif d'injection
de fa~on à minimiser le débit de protection~ il est souvent diffi~
cile, voire impossible, d'atteindre ensuite les debits de gaz
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souhaitables pour un brassage efficace. On peut alors songer
à multiplier le nombre de dispositifs d'injection, mais ce
faisant, on est ramené au problème précéaent.
La présente invention a pour but de remédier à ces
difficultés.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de
brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par introduc-
tion d'un fluide inerte au moyen d'un dispositif d'injection
débouchant sous la surface du bain selon lequel l'e-ffet de
brassage n'est recherché que temporairement et caractérisé en
ce que, en dehors des périodes de brassage, on alimente le
dispositif d'injection avec un fluide à l'état gazeux, et en ce
que, au cours des périodes de brassa~e, on substitue au fluide
gazeux un fluide à l'état liquide susceptible de se vaporiser
facilement au contact du métal en fusion.
Conformément à une variante, les fluides injectés
respectivement sous forme gazeuse et sous forme liquide sont
de même nature chimique.
Conformément à une autre variante, le fluide injecté
sous forme liquide présente un rapport masse volumique/masse
moléculaire de valeur élevée.
Le procédé de l'invention peut etre mis en oeuvre
aussi bien avec un dispositif a ~ injection constitue par des
tuyères débouchant sous la surface du bain de métal en fusion
qu'avec un dispositif d'injection constitué par une pluralité
de pièces réfractaires, à perméabilité interne sélective et
orientée, incorporées dans le fond du récipient contenant le
bain de métal en fusion. De telles pièces réfractaires per-
méables ont été décrites dans la demande de brevet français
publiée sous le No 2.~55.008, au nom de llInstitut de
Recherches de la Sidérurgie Française.
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Comme on le comprend, l'invehtion consiste donc, dans
ses caractéristiques essentielles, ~ modifier en cours d'opera-
tion l'état physique du fluide de brassage -et éventuellement
sa nature chimique également- de maniere a injecter un gaz de
protection du dispositif d'injection lorsque le brassage du bain
n'est pas nécessaire et a i ~ecter un liquide de brassage lors-
que cette nécessite a lieu.
Ainsi, llinvention apporte une solution élégante au
problème pose en permettant de concilier les imperatifs apparem-
ment con~adictoires de minimisation du débit de protection etd'optimisation du debit de brassa~e au moyen d'un même dispositif
d'injection.
L'invention sera mieux comprise dans ses differents
aspects et a~antages grace à la description ci~après de deux
exemples d'application du brassage au gaz inerte au cours d'une
operation d'affinage pneuma~que de la onte dans un convertisseur
à soufflage d'oxygene ~ar le haut.
Exemple 1
On considère un cQn~ertisseur de type LD d'une capacite
de 60 t et dont le fond a eté equipe d'un dispositif dlinjection
constitué par des tuyères en acier présentant un d~ètreinterne de
5 mm. Les tuyères sont au nombre de quatre uniformement reparties
dans le f~nd et reliees à un système d'alimentation en `azote
dont le pression maximale permise est limitee ~ 15 bars relatifs.
Au cours de la phase d'affinage ~ l'oxygène, le bras-
sage à l'azote n'est pas necessaire puisque la decarburation
procure elle-même une agitation suffisante du bain métallique.
Il s'agit donc, au cours de cette ~eriode, d'insuffler le ~ini-
mum de gaz par tuyère, necessaire pour eviter le bouchage de
celle-ci. On sait que le critère generalement adopte consiste à
obtenir au nez de la tuyère une vitesse sonique du gaz. Dans ces
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conditions, le débit minimal de protection est voisin de 10 1.
d'azote par seconde et ce débit est obtenu sous une pression de
2 bars relatifs.
A la fin de la période d'affinage à l'oxygène, débute
le traitement du bain par brassage ~ l'azote. On substitue alors
de l'azote à l'état liquéfié a l'azote gazeux précédemment insuf-
flé. Sous la pression maximale de 15 bars relatifs, le d~bit
d'azote liquide passant dans la tuy~re est de 0,2 l/sec. environ
qui, au contact du métal en fusion dans le convertisseur se
vaporise rapidement en fournissant un débit de gaz voisin de
120 l/sec., ce qui correspond à la ~aleur recherchée pour un
brassage efficace.
A titre comparatif, si l'on continue à alimenter les
tuyères en azote gazeux après la péri~de d'affinage, le débit
maximal de gaz pouvant être atteint par tuyère est seulement de
60 l/sec. environ.
Un tel déhit pouvant atre insuffisant pour assurer un
brassage satisfaisantr on est alors amené, soit à doubler le
nombre de tuyèxes, d'où un investissement et des frais d'exploi-
tation supplementaires, soit ~ utiliser des tuyères de plusgrand diamètre interne, ce qui dans tous les cas, conduit à
doubler la consomma~ion d'azote n~cessaire pour la protection
des tuyères.
On voit que le procede selon l'invention permet, dans
le cas d'un brassage à l'azote de doublerle debit de brassage à
debit de protection donne, ou, exprimé différemment, à réduire
de moitié le débit de protection pour un débit de brassage donné.
Bien entendu, ces proportions sont valables pour l'azo-
te et sont géneralement modifiées avec la nature du gaz utilise.
Ainsi, si l'on utilise du gaz carbonique liquéfié, le débit de
brassage maximal que l'on peut atteindre avoisine 60 l/secO, donc,
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beaucoup plus défavorable que dans le cas de l'azote. Il en est
de même pour l'argon liquéfié avec un débit maximum de 65 l/sec.
environ.
On considère un convertisseur du type LD d'une capacité
de 60 t. Cinq pièces réfractaires perméables sont incorporées à
la maçonnerie du fond du convertisseur. oacune de ces pièces est
constituée par un assemblage ordonné et jontif de plaques réfrac~
taires non poreuses, juxtaposées sans joint ma*ériel d'étanchéité
entre elles; le serrage et la cohésion de ces plaques est assuré
par fret-tage, au moyen d'une enveloppe métallique; une plaque de
fermeture complète l'enveloppe metallique de façon à assurer
l'étanchéité de chaque pièce vis-à-vis de l'extérieur du conver-
tisseur; une conduite d'amenée du fluide est fixée de fa~on
étanche sur cette plaque de fermeture et débouche dans un canal
de répartition du fluide ménagé à l'intérieur de l'assemblage
des plaques réfractaires constituant chacune des pièces réfrac-
taires perméables.
Lors de la mise en oeuYre du procédé de l'invention,
les conduites d'amenée de fluide de chacune des pieces réfractaires
perméables sont reliées à un s~stème d'alimentation en azote.
Au cours de la phase cl'af~inage ~ l'oxygène~ on in~e~te de l'azote
gazeux à un débit minimum inférieur à 1 l/sec.; ce débit est
obtenu à une pression d'environ 1 bar. A la fin de la période
d'affinage à l'oxygène, on in~ecte alors de l'azote à l'état li-
quide a un débit d'environ 0,3 l/sec.; ce débit est obtenu à une
pression d'environ 5 bars. Au contact du métal en fusion, l'azote
liquide se vaporise rapidement et fournit un débit de gaz voisin
de 200 l/sec.
Conformément à une variante de l'inven tion, les fluides
gazeux et liquides sont de nature chimique différenteO Par exemple,
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dans une opération d'affinage de la fonte, le gaz de protection
peut être de l'argon et le liquide de brassage de l'azote liquide,
dont le prix de revient est inférieuæ ~ celui de l'argon liquide
et do~t l'in~ection après la période d'affinage, c'est-à-dire
dans un bain métallique fortement oxydé, ne présente plus un gros
risque de nitruration de ce dernier. Par ailleurs, ce passage de
l'argon à l'azote liquide permet d'atteindre un débit de gaz
vaporisé qui, comme on l'a vu, ne pourrait etre obtenu avec l'ar-
gon liquide.
Toutefois, l'utilisation de fluides de même nature pré-
sente de son caté un avantage pratique appréciable, ~ savoir la
possibilité de mettre en oeuvre l'invention avec une seule source
de gaz liquéfié.
Cette source uni~ue est alors reliée au dispositif d'in-
~ection par deux circuits parallèle dont l'un comprend un évapora-
teur et qui sont activés alternativement à l'aide d'un "by-pass",
selon que l'on désire souffler le gaz de protection ou injecter
le liquide de brassage.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux gaz
liquéfi~s, mais s'étend à tout fluide ~ l'état liquide dans les
conditions standard de température et de pression, mais dans la
mesure bien entendu o~ il n'est pas nuisible à l'élaboration du
métal devant 8tre brassé. Bien entendu, des mélanges de fluides
de natures chimiques différentes sont également possibles.
Compte tenu de ce qui précède, on a avantage a utiliser
un fluide de brassage qui~ par unité de volume a l'état li~uide,
procure le plus gros volume de gaz par vaporisation au contact du
métal en fusion.
D'une fa~on g~nérale, On a donc avantage ~ choisir un
fluide de brassage qui présente un rapport masse volumique/masse
moléculaire le plus élevé possible.
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A cet égard, les gaz liquéfies apparaissent tout-à-
fait appropriés. Mais d'autres fluides peuvent également convenir,
tel que lleau ou même des liquides organiques comme le tétra-
chlorure de carbone.
Ces considerations ne doivent pas en faire perdre de
vue d'autres relatives ~ la viscosité du liquide de brassage dont
dépend bien entendu le débit susceptible de pouvoir passer dans
le dispositif d'injection sous une pression donnée. ~lest ce qui
explique que llutilisation de l'argon liquide qui présente pour-
tant un rapport masse volumique/masse molécu~ire sensiblementsupérieur ~ celui de l'azote liquide ~respectivement 35 et2g 1 1
environ) conduit à un débit de gaz vaporisé bien inférieur à ce
dernier.
Par ailleurs, ces considérations ne tiennent pas compte
des effets de refroiaissement du bain occasionnés notamment par
la vaporisation du fluide de brassage~ mais on ~it les contrebalan-
cer le cas echeant par differents mo~ens d'apport calorifique
d'appoint tels qu'un prechauffage du fluide.lors.que cela est pos
sible ou une prolongation du soufflage d'oxyg~ne au-delà de la
periode d'affinage proprement dite.
En outre, le procédé selon :L'invention permet de r.~duire
la periode de brassage par rapport à la techni~ue connue. ~1
s'a~it la d'un a~antage appréciable~ en particulier sur le plan
thermique, car des études faites par les inventeurs ont montre
~ue le refroidissement d'un bain.d'acier dans un.con~ertisseur
pendant le brassage est moins le fait de l'insufflation du ~luide
de brassage que des pertes calorifi~ues occasionnées par .les
attentes pour les échantillonnages et la durée d'agitation du
bain, encore que ces per.tes s'amenuisent lorsque la capacité de
convertisseur augmente.
Par ailleurs, il doit être souligné ~ue si le liquide
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de brassa~e peut être dans les conditions standards de tempéra-
tures et de pression, un gaz que llon a liquéfié préalablement
à son injection, le contraire est tout à fait possible à l'égard
du gaz de protection.
En effet, conformément ~ une variante, le gaz de pro-
tection du dispositif d'injection est, dans les conditions nor-
males de température et de pression, un liquide que l'on a
vaporisé préalablement ~ son passage dans le dispositif d'injec-
tion.
On comprend imm~diatement les avantages particuliers
de cette variante en ce qui concerne précisément l'aspect
"thermique" de l'opération.
Toute~ois,conformément ~ une autre variante de réali-
sation, on associe ~ la protection du dispositif d'injection par
un gaz provenant de la vaporisation préalable d'un liquide, un
brassage du bain par injection d'un liquide provenant d'un gaz
préalablement liqu~fié, ce qui permet d'avoir un débit de gaz de
brassage important, tout en réduisant dans une certaine mesure
le refroidissement du bain en dehors des périodes de brassage.
Enfin, l'invention ne se limite pas, quant ~ ses
applications, au brassage en convertisseur, mais s'étend ~ d'au-
tres domaines, tels que le traitement de l'acier en poche, et
de fa~on plus générale, ~ tout traitement de brassage pneumati~ue
d'un bain de métal en fusion par injection d'un iluide de bras-
sage sou~ la sur~ace du bain.
