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"Proc~dé de filcion d'une charae métalliaue dans un faur
rotatif et four rotatif Pour la mise en oeuvre d'un tel
procédé"
- 5 La présente invention concerne les procédés de fusion
de charges métalliques dans un four rotatif équip~ d'au
moins un oxybr~leur.
Dans les procédés connus, l'oxybrûleur, réglé dans des
conditions de stoechiométrie, assure la fusion de la charge
métallique contenant éventuellement, et pour des
considérations purement métallurgiques, de faibles
quantités de combustibles solides, n'excédant généralement
pas 1% de la charge métallique pour limiter la formation de
composés volatils non brûlés indésirables qui, également au
niveau de la mise en oeuvre de l'oxybrûleur, limitent les
conditions dans lesquelles la combustion est effectuée et,
par voie de conséquence, la vitesse de fusion de la charge
dans le four.
I1 est connu de DE-A-4142301 un procédé de fusion de
matériaux _olides utilisant un bruleur air ou
~yc hllctible fortement sou_ stoechiométrique, procédé
dans lequel on rajoute de l'oxygène dans le four à l'aide
de lances.
La présente invention a pour objet de composer un
procedé perfectionn~e permettant d'augmenter de façon
significative la vitesse et l'efficacité de fusion dans un
four donné tout en réduisant la consommation d'énergie
globale.
Pour ce faire, selon une caractéristique de
l'invention, le procédé comprend les étapes d'adjoindre a
la charge métallique a fondre une charge de combustible
solide comprise entre 1,5% et 9% et d'injecter au moins un
jet d'oxygènQ en direction de la charge combinée dans le
four.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- la proportion de charge de combustibles
solides dans la charge métallique est comprise entre 1,5 et
9%, avantageusement entre 2 et 6%;
FE~ !'L~ v~ir.EE
~ 21~29~
1bis
- l'oxygène est injecté a une vitesse proche
de la vitesse du son ou supersonique;
- le jet d'oxygène est injecté, dès la mise en
oeuvre-du br~leur, entre la flamme du brûleur et la charge
combinée dans le four.
FEJ'LLE l'h3D!'.EE
~192953
-
~ W09~34791 2 ~ r~
La présente invention a egalement pour objet un four
rotatif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé,
comprenant, outre un oxybrûleur, au moins une lance a
oxygene agencée pour diriger au moins un jet d'oxygene vers
le bas du four.
Avec le procédé selon l'invention on étend la
combustion dans la charge elle-même, où l'oxygene injecté
par la lance vient interagir avec le combustible solide qui
~br~le en contact direct avec le métal, augmentant ainsi de
façon e~LL~ ~ importante la surface de réaction et
uv~nt ainsi une fusion accélérée sans affecter les
conditions de température au niveau du réfractaire du four
et ne réduisant donc pas la durée de vie de ce dernier.
D'autre part, une part notable, d~r lccAnt 35% de l'énergie
totale de la combustion, étant assurée dans la charge, par
le combustible solide, la puissance du br~leur, et donc
son coût, peuvent être réduits de facon significative.
D'autre caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description suivante de modes
de réalisation, faite en relation avec les dessins annexés
- sur lesquels :
- la Figure l est une vue schémati~ue en coupe
longitudinale d'un mode de réalisation d'un four de fusion
de métal selon l'invention ;
- les Figures 2 et 3 sont des vues respectivement de
coté et en coupe d'un mode de réalisation d'une lance a
oxygene multitube ;
- la Figure 4 est~ une vue partielle en coupe
longitudinale d'un brûleur ~ lance intégrée selon
l'invention ;
- la Figure 5 est une vue en bout du brûleur de la
Figure 4 ;
- la Figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un
autre mode de réalisation d'un brûleur â lance intégrée
selon l'invention ;
- la Figur,e 7 est une vue en bout du brûleur de la
Figure 6 ;
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W09~34791 r~llr /YI
- les Figures 8 à 11 sont des graphes illustrant des
Pal 'LLeS de fonct;nnn -nt selon les conditions des
Tableaux 1 à 3 ;
- la Figure 12 est un graphe illustrant les relations
entre la vitesse de fusion et le pourcentage en energie de
combustion dans la charge combinée du four.
Sur la Figure 1, on a représenté un four rotatif 1
dans la porte d'extrémité 4 duquel sont montés un
oxybrûleur 5 orienté vers la charge et une lance à oxygène
2 positionnable de façon réglable grâce à un dispositif de
guidage 3. Selon l'invention, la lance 2 est orientée de
façon à diriger, dans le four 1, un jet d'oxygène haute
vitesse, typiquement supersonique, vers une charge combinée
de métal, typiquement d'acier, à fondre et d'un combustible
solide dans des proportions typiquement supérieures à 2~ de
la charge métallique. Ce combustible solide est
typiquement de l'anthracite, du graphite, notamment
d'électrode, ou d'autres produits contenant du carbone et
de l'hydrogène, notamment des polyoléfines solides. Des
exemples de conditions opératoires sont donnés plus loin en
relation avec les Tableaux 1 à 3 et les Figures 8 à 12.
Sur les Figures 2 et 3, on a représenté un mode de
réalisation particulier d'une lance à oxygène 2 comprenant
une amenée principale supérieure d'oxygène 7 et deux
amenées inférieures d'oxygene 6 permettant d'éjecter des
jets d'oxygène différenciés en direction de la charge et
au-dessous de la flamme du brûleur 5. Le corps de lance 2
comporte une rainure 8a coopérant avec une nervure 8b du
dispositif de guidage 3 pour le maintien d'une orientation
correcte des tubes 6 et 7 lors des réglages vers l'avant ou
vers l'arrière de la lance 2 dans le four l.
Sur les Figures 4 et 5, on a représenté un oxybrûleur
comportant une amenée centrale 12 de gaz combustible dans
une virole formant un canal 9a d'oxygène introduit par une
entrée 9, le gaz combustible étant éjecté par des
injecteurs 10 s'étendant dans des orifices de sortie
d'oxygène dans le nez du brûleur, ici angulairement
répartis autour de l'axe du brûleur. Dans la partie
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W09~34791 4 P~l/r IYI
inf~rieure de ce dernier, les orifices d'éjection combinés
oxygène/combustible gazeux sont remplacés par au moins une
lance 2 telle que décrite en relation avec les Figures 2 et
3 et dont la partie amont s'étend dans l'amenée centrale de
combustible 12. En 11 on a représenté l'extrémit~ d'un
circuit central de refro;~;~F ~ du nez du br~leur.
Sur les Figures 6 et 7, on a représenté un oxybrûleur
refroidi comportant un rh~m;F~age périphérique 11 de
circulation d'eau introduite en 13 et évacuée en 14. Comme
dans le mode de réalisation des Figures 4 et 5, le brûleur
comprend une amenée centrale 12 de gaz combustible
s'étendant dans un canal d'éjection d~oxygene sa et
débouchant vers l'extérieur par une série d'éjecteurs 10,
ici angulairement et régulierement répartis. Ici, au moins
une, en l'oc~uLL~Ice deux lances ~ oxygène 2 s'étendent
dans la partie inférieure du canal principal d'oxygène 9a
et ~ho~l~h~nt à l'extérieur du brûleur au-dessous des
éjecteurs 10. Dans ce mode de réalisation, l'oxygène
principal dans le canal 9a, refroidi par le chemisage 11,
participe au refroi~;F~ t des lances à oxygène 2.
Selon la géographie du four, la lance d'oxygène est
réglée de façon à éjecter les jets d'oxygène dans la
direction vers la charge suivant un angle compris entre 5
et 25~ par rapport à l'axe du four. Le débit des jets
d'oxygène éjectés par la lance est choisi entre 25 et 150%
du débit d'oxygène de l'oxybrùleur.
Selon les dimensions du four, on peut prévoir une
seconde lance à oxygène, également dirigee vers la charge,
dans l'extrémité du four opposée au br~leur.
L'oxygène d'alimentation, tant de la lance que de
l'oxybrùleur, est avantageusement de l'oxygène à une puret~
entre 88 et 95% fourni sur site par une unitê de séparation
de gaz de l'air par adsorption du type dit PSA.
On va maintenant décrire des conditions opératoires
particuliêres. Le combustible solide, dans des proportions
de 3,2% de la charge d'acier, en l'occurrence 5,3 tonnes
environ, est de l'anthracite et l'oxygène injecté par la
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~ WO95/34791 P~/rl9' /YI
lance 2 est ejecte a une vitesse supersonique a un angle
d'environ 10~ par rapport a l'axe du four.
La combustion genéralisée de la charge d'anthracite
est obtenue environ 10 minutes après la mise en oeuvre a
pleine puissance du brûleur pour redistiller ainsi les 7%
de cn~pos ~ volatils qu'elle contient. Par la suite,
lorsque la charge combinée dans le four atteint la bonne
température, les 86,5% de carbone de la charge solide sont
convertis en monoxyde de carbone en remontant vers la
surface de la charge. L'oxygène éjecté par la lance crée
sous la flamme du brûleur une zone de combustion intense
particulierement rayonnante et quasi intégralement renvoyée
vers la charge par l'effet d'écran assuré par la flamme du
br~leur qui protege ainsi les parois du four.
Ainsi, conformement aux objets de l'invention, on
obtient un rendement thermique elevé de combustion par
l'oxygène injecté des résidus non-brûles, une augmentation
consequente du ren~ L énergetique par unite de temps
pendant toute la duree du processus, une consommation
reduite du refractaire du four et des pertes moindres des
composants metalliques de la charge.
Dans les Tableaux suivants, les références 1 à 18
~u~ L~"n~ent à des procedés de fusion sans injection
d'oxygane avec des charges réduites d'anthracite, les
réferences 19 à 22 mettant en oeuvre une injection
d'oxygene dirigée vers une charge métallique contenant 1,5%
d'anthracite, portée à 3% dans les références 23 a 28.
Les valeurs indiquées sur les Tableaux 1 a 3 sont les
suivantes :
anthracite : poids en kg pour une charge de métal,
temps:respectivement:fusion/maintien en température
/temps total,
température : oc,
vitesse fusion : ~C/minute/5,3 tonne de charge
rnncl -tion totale : propane/oxygène,
consommation spécifique : m3/100~C/5,3 T (brûleur +
lance),
analyse acier : Ce/C/Si.
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~ Table 1
Anthracite Teinps Tempemture fuswn Consonunation totale
R~f
5514119 _ _1
55137/9
5515 / ~ . . I
1._/ . . / 1~
1 1 . . /_
I~ _l . . I
_ ~ ~14
5514
551
SSI~
55/ ~ . ~ . 1.
55, /
55, i / . . ~ I
55~
551 ' ~ . . I
/-1 . , 1:
l l . . l
1 ~ . . I . _
t I . .-- I
1. 1 . . I ~_
-- 1-- 1 . . 1 9
I _1 . . ~:1 5
1. r . . 1.7
C n~r nt
1.436 19.15 75/375
/ I 1.422 21 90 65/325
/ / 1.330 nl7 60/300
2192r953
~VO 95/34791 7 r~l~rlv~ . /YI
Table 2
ReL Anthracite Ternps Temp Consomrnation Spéc. Oxy~ene lance O~q~gene total
Pr 1-'' ~.
55/ 1/
55/. 71 - - /
55/ ' 0. . 1 .
-- , . . 1.
1~_1 . . I
1~_1 . . /
. ~Is /
55/- /1:1 . .- 1 .
551441 /_
55/4 /111
551~_1 . . 1. .
55/ 1 0 . . 1
55,4.1 9
55/ ~
55/ 1 '
/ _ / .
I I , . , ~ _
. ~1
~ I I . . ~ . 233 630
~ / I . . / . 223 581
~ r . .- /_ . 230 605
C 1 r -nt
1 1 1.436 5.22/26.11 219 594
I / 1.422 4.57Q2.86 203 528
I 1 1 330 4.51/22.41 234 532
WO 95/34791 21~ 2 9 5 3 ~ rl I /Y~ 1--
Table 3
AnthraciteTemps Temp. Consornmation spec. Analyse acier
1~ L
55, 1/ ~ c
55/ 71 . ~
551
1~ 1
I I ..
~14:~1 . 3.81/3.13/1.38
551461 ~I . 3.59/3.09/1.18
55/44/C9 ~ 3.63/3.19/1.27
55149' ~ .
55/4./" . - . 1: . I .
55,'3 1 '' I ' I '
55. 4--/ . _ . 1 . I . --
55/ ,' . . ' I . 1
55/ . ~ . . 1 . I .
I / ,
I I
/ /
I I
1. 1 . . 1 . I
46.32 . 1 . . I .
-- I ~ . 42.72 . I . l .----
- 1 1 . 44.26 .. 1 ._ 1 .
C n~er nt
1351 1.436 41.36 3.7113.17/1.55
1321 1.422 37.13 3.58/3.06/1.51
. .1271 1.330 40.00
2~ 92~53
095/34791 ' r~ YI
La Figure 8 qui illustre les vitesses de ~usion en
~C/minute pour une charge de 5,3T pour chacune des
réferences 1 à 29 des Tableaux précedents, montre que la
vitesse passe d'au-dessus de 15 à plus de 20 pour les
réferences 28 et 29, ce qui permet de reduire le temps de
rotation discontinu du four de 55 minutes ~ 33 minutes et
la pause entre rotations de 5 à 3 minutes.
La Figure 9, qui illustre la consommation de propane
~courbe du bas) et d'oxygène (courbe du haut) pour chacune
des r~ferences 1 à 29, montre que la consommation
specifique de propane peut descendre jusqu'à 4,6m3 pour une
consommation d'oxygène sensiblement stable.
La Figure lo montre que l'efficacite de fusion passe
d'un peu plus de 50% jusqu'à plus de 60-65%.
La Figure 11 montre que la consommation en énergie, en
KWh peut être ramené d'environ 700 KWh à moins de 600 KWh.
La Figure 12 montre que, selon les references 1 à 29,
le pourcentage énergie dans la charge passe de moins de 20
à plus de 40 avec correlativement une augmentation de la
vitesse de fusion de 15 à 22~C/minute.
, .
