<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne unprocédé d'affinagede la .fonte par insufflation d'oxygène pur ou sensiblement pur, à travers un ou plusieurs conduits dont l'orifice de sortie ., est immergé au sein de la fonte liquide, ces conduits étant en particulier insérés dans le fond d'un récipient d'affinage ou convertisseur.
Le procédésuivant l'invention est caractérisé en ce que l'oxygène est insufflé en jets fins, sous une pression supérieure à,20 kg/cm , et de préférence comprise entre 25 et 70 kg/cm2
Il présente par rapport aux procédés connus l'avantage considérable de pouvoir supprimer toute circulation d'eau pour refroidir les conduits d'injection d'oxygène.
La mise en oeuvre d'une pression d'oxygène largement supérieure à celles envisagées jusqu'ici assure en effet, grâce au grand débit et à la grande vitesse d'écoulement de l'oxygène, un régime d'échange de chaleur très actif, entre la veine fluide et la paroi du conduit, ce qui assure, pendant toute la durée d'une opération d'affinage, pouvant durer par exemple d'une vingtaine de minutes jusqu'à une heure, la conservation en bon état d'un conduit réalisé et mis en oeuvre conformément à l'invention.
La détente de l'oxygène, au voisinage de l'orifice de sortie de l'injecteur, contribue également à refroidir cet injecteur, et il a été constaté que le seul passage de l'oxygène, admis sous une pression supérieure à 20 kg/cm2 dans un conduit dont la section de passage était suffisamment petite, par exemple comprise entre 2,5 et 8 mm2, assurait un refroidissement suffisant de l'injecteur.
D'excellents résultats ont été obtenus, en particulier, avec une pression comprise entre 28 et 35 kg/.cm2 et une section d'orifice d'environ 2,5 mm2.
<Desc/Clms Page number 2>
Le tube injecteur est de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre. Il pourrait également être en nickel, en acier inoxydable, en molybdène ou en toute autre matière métallique ou non présentant un point de fusion suffisamment élevée ainsi qu'une très bonne conductivité thermique et une forte résistance l'oxydation. Le cuivre et le molybdène présentent en outre l'avantage d'être),très peu solubles dans le fer.
L'épaisseur de la paroi du tube injecteur joue un rôle important, et dans le cas d'un tube en cuivre, les meilleurs résultats ont été obtenus avec une épaisseur de paroi comprise entre 2,49 et 5 mm, au voisinage de l'orifice de sortie, la valeur optima étant voisine de 2,5 mm. Le pied du tube peut être plus épais, et il est notamment avantageux de pourvoir le tube, à sa base, d'une bride 'ou d'un épaulement prenant appui sur l'enveloppe métallique extérieure du récipient, convertisseur ou autre, utilisé pour l'affinage. Par sa grande surface de contact avec la paroi métallique.du récipient, cette bride contribue au refroidissement 'de l'injecteur, en même temps qu'elle sert à l'immobiliser contre la poussée due à la haute pression d'échappement de l'oxygène.
Suivant une forme de mise en oeuvre de l'invention, l'affinage est pratiqué dans un récipient métallique d'un type usuel, par exemple un convertisseur ou une poche de coulée dont la capacité est de préférence au moins égale à 15 tonnes et peut atteindre par exemple 100 ou 200 tonnes. On insère dans la paroi de ce récipient, de préférence dans le fond, et en tout cas en dessous du niveau de remplissage, le nombre d'injecteurs voulu pour assurer le débit désiré, sans augmenter la section individuelle des conduits ni la pression au-delà des valeurs optima indiquées au début.
A titre indicatif, des essais satisfaisants ont été faits avec un débit de l'ordre de 700 litres d'oxygène, mesurés
<Desc/Clms Page number 3>
dont le fond'est muni de plusieurs injecteurs} 'La figure 4 est une vue en coupe, en élévation partielle, d'une poche pourvue d'un injecteur latéral.
L'appareillage de la figure 1 se compose d'une poche,-de coulée 1, pourvue d'une enveloppe métalliçue extérieure 2, de forme tronconique. Cette enveloppe est garnie intérieurement d'une couche de-réfractaire 3. Le fond de la poche est percé en son centre d'un trou livrant passage à l'injecteur 4, dont le détail est représenté figure 2.
L'injecteur est relié, par une canalisation flexible armée, 5, à une bouteille d'oxygène comprimé 6, pourvue d'une vanne d'arrêt 7, d'undétendeur à grand débit 8 et 'd'une vanne de réglage 9, qui est de préférence 'une vanne du type à obturateur sphérique.
Deux manomètres, 10 et 11, sont respectivement placés à l'aval du détendeur 8 et de la vanne 9.
En se reportant à la figure 2, on voit que l'enveloppe 2 de la poche est percée d'un trou de faible diamètre 12, livrant passage à l'injecteur proprement dit 4. Celui-ci est pourvu à sa base d'une bride 13, à laquelle il est de préférence soudé.
Cette bride prend appui à l'intérieur de l'enveloppe 2, et retient le tube injecteur 4 contre la poussée du gaz. Pour mettre en place l'injecteur 4 avec sa bride 13, on ménage au préalable une cavité dans le garnissage 3, soit en enlevant une brique, soit en creusant un trou dans le garnissage. Après la mise en place de 1'injecteur, ce trou est rempli de pisé réfractaire 14, Ce pisé entoure l'injecteur sur toute sa hauteur, qui est de préférence légèrement supérieure à l'épaisseur du garnissage, de telle sorte que le pisé forme une légère protubérance 15 au fond de la poche.
Le pied de l'injecteur est pourvu d'un raccord 16, soudé ou fileté, le reliant à la canalisation flexible 5.
<Desc/Clms Page number 4>
à la pression atmosphérique et à la température ambiante, par tonne de fonte et par minute.
De préférence, la masse de fonte est soumise à l'affinage sous une grande épaisseur, par exemple supérieure à 1 m. Il est désirable que cette épaisseur ne descende pas au-dessous de 0,15 m, et de bons résultats ont été obtenus lorsqu'elle est de l'ordre de 1,50 m.
La longueur des injecteurs est de préférence égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur du garnissage. En particulier, lorsque le garnissage est mince, par exemple d'une épaisseur inférieure à 10 cm, il y a avantage à ce que l'injecteur dépasse de quelques centimètres, à l'intérieur du récipient, le niveau du garnissage, d'autant plus que ce garnis-sage est plus mince..
Pour protéger la partie de l'injecteur qui dépasse hors du garnissage, on l'entoure d'un monticule de pisé réfractaire. La présence de ce monticule contribue également à diminuer le risque de formation d'un culot ou fond de poche de fonte solidifiée à l'emplacement de l'injecteur.
Lorsque les dimensions du récipient de traitement conduisent à prévoir un débit d'oxygène très important, et par suite à mettre en oeuvre plusieurs injecteurs, il y a avantage à les répartir régulièrement en les espaçant de préférence d'au coins
25 à 30 cm.
L'invention sera encore décrite ci-dessous en se référant au dessin annexé dans lequel :
La figure 1 représente un schéma d'ensemble de l'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention;
La figure 2 représente un détail agrandi de la figure 1, montrant la mise en place d'un injecteur ;
La figure 3 est une vue en coupe transversale d'une poche
<Desc/Clms Page number 5>
On a représenté figure 2 l'injecteur avec un canal de profil rectiligne, mais l'invention prévoit la possibilité de donner à ce canal un profil de tuyère favorisant l'effet de refroidissement de 1'injecteur, en particulier un profil convergente- divergent.
De même, la section transversale du canal peut être non circulaire, par exemple ovale, polygonale ou cannelée, de manière à augmenter la surface de contact entre la veine fluide et la paroi du conduit et par suite à accroître les échanges de chaleur entre cette veine et cette paroi.
Le tube injecteur peut également, toujours suivant l'invention, être pourvu d'une gaine en acier inoxydable, non représentée, qui l'isole du garnissage. Dans ce cas, on ménagera de préférence un léger jeu entre 1'injecteur et la gaine, pour maintenir une mince couche d'air isolante autour de 1'injecteur. On a représenté figure 3 le fond d'une poche pourvue de 3 injecteurs, 4a, 4b et 4c, répartis régulièrement à une même distance du pourtour du fond et entre eux. Cette disposition assure la meilleure répartition, de l'oxygène au sein de la fonte et aussi la meilleure tenue du matériel.
La figure 4 montre comment un injecteur 4d peut être disposé dans la paroi latérale d'une poche de coulée, en dessous du niveau de remplissage de cette poche. Il serait également possible de dispo%r plusieurs injecteurs en les répartissant sur le pourtour de la pochée
On donnera également ci-après différents exemples de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
Dans un premier essai, on a chargé 40 tonnes de font'e dans une poche de coulée d'un type usuel, d'une capacité 'de 60 tonnes; Le fond de cette poche était pourvu de 3 injecteurs.disposés à la'manière représentée figure 3. On a essayé successivement avec
<Desc/Clms Page number 6>
'succès, des injecteurs dont le diamètre de canal variait d'environ 1,5 à 3,2 mm. Les trajectoires dépassaient d'environ 25 mm le niveau du garnissage, et étaient entourés chacun d'un monticule en pisé réfractaire, de la manière précédemment décrite..
La profondeur de la charge de fonte était d'environ 1,50 m, et le garnissage était en briques réfractaires acides d'un type usuel. Au début du remplissage de la poche, on a envoyé un peu d'azote dans les injecteurs pour empêcher le bouchage des canaux d'injection, puis on a envoyé de l'oxygène pur, à raison d'envioN 700 litres par minute et par tonne. Des essais furent également effectués avec différentes pressions d'oxygène, variant de 28 à 70 kg/cm2. Il semble qu'il serait même possible de porter la pression bien au-delà de 70 kg, moyennant une certaine adaptation de l'appareillage. cependant, d'excellents résultats sont déjà obtenus avec une pression de l'ordre de.28 kg, et la gamme de pression la plus favorable paraît être celle de 28 à 35 kg/cm2.
Au cours'd'autres essais, des charges d'environ 15 tonnes de fonte chacune ont été affinées successivement par insufflation d'oxygène pur, suivant le procédé de l'invention, avec un excellent rendement d'utilisation de l'oxygène, comme il apparaîtra ci-après,
Un fait digne d'être noté est que l'insufflation d'oxygène à haute pression n'a pas entraîné de projections, mais qu'on---@ remarquait simplement de légères intumescences à la surface du. bain, à l'aplomb de chaque injecteur.
Il paraît préférable d'utilise r de l'oxygène relativement pur, par exemple à 95 ou 98 %, car, en raison des très grands débits mis en oeuvre, la présence en quantité notable d'azote ou d'autres constituants du gaz insufflé, qui ne seraient pas absorbés par la fonte comme l'est l'oxygène, pourrait entraîner des projections de métal liquide.
En ce qui concerne le rendement en oxygène, si l'on considère
<Desc/Clms Page number 7>
qu'il faut environ 90 litres d'oxygène'pour brûler 1 point de carbone, par tonne, on a constaté, au cours des essais relatés ci-dessus, que la consommation réelle d'oxygène a varié d'environ 105 à 120 litres par point de carbone, par tonne, soit un rendement de 75 à 86,5 %.
Par rapport aux procédés d'affinage à la lance à oxygène, le procédé suivant l'invention présente le grand avantage de supprimer, dans une très large mesure, la production des fumées rousses d'oxyde de fer.
L'oxyde de fer se formant dans les profondeurs du bain, au lieu d'être produit en surface comme lors de l'insufflation à la lance, se dissou-t dans le bain et a le temps de réagir sur le carbone, le silicium ou le phosphore. D'autre part, il y a moins de pertes de chaleur, en surface, ce qui permet, le cas échéant, -d'ajouter plus de ferrailles au bain que cela n'est possible lors de l'affinage à la lance à oxygène. Cette diminution des pertes de chaleur est encore favorisée par le fait qu'il est possible, contrairement à ce qui a lieu lors de l'affinage à la lance, de conduire l'affinage du métal en couche très profonde, et de réduire ainsi la surface libre du bain de fusion.
On a indiqué au début' que l'épaisseur de paroi du tube injecteur constituait un facteur important du refroidissement de ce tube. En effet, des 'essais ont montré qu'un tube ayant une. épaisseur de paroi d'environ 4,5 mm pouvait assurer au moins/une opération complète d'affinage durant de 20 à 60 minutes, et même .durer dans certains cas aussi longtemps que le garnissage de la poche, sa vitesse d'usure étant en général largement inférieure à 2 cm par heure ; parcontre, un tube n'ayant que 2 mm de paroi s'usait 3 fois plus vite, et un tube à paroi de 1 mm s'usait 6à 10 fois plus vite. Des essais ont également été effectués avec
<Desc/Clms Page number 8>
une épaisseur de paroi allant jusqu'à 10 mm, mais il ne semble pas qu'au-delà de 5 mm on obtienne un gain de durée notable, .
Pour le traitement de charges très importantes, par -exemple de l'ordre de 100 à 200 tonnes, il parait possible d'employer des injecteurs à grand débit, dont le canal aurait une section de passage plus importante, mais on préférera cependant en.général ne pas dépasser, un diamètre intérieur d'environ 6,35 mm, corres- pondant à une section de passage d'environ 32 mm2. Il y a en effet avantage à augmenter le nombre d'injecteurs utilisés plutôt que. leur section individuelle.
La composition du garnissage réfractaire de la poche de traitement n'est pas indifférente, et il parait désirable que cé garnissage soit exécuté en une matière particulièrement résistante au choc thermique. A cet égard, un réfractaire argileux acide donne de bons résultats, tandis qu'un réfractaire magnésien, théoriquement plus résistant à l'attaque par l'oxyde de fer, a donné lieu à une usure beaucoup plus rapide de l'injecteur.
Sans sortir du cadre de la présente invention, il pourra également être avantageux de ménager un léger jeu entre l'injecteur et le réfractaire qui l'entoure, et d'insuffler dans cet intervalle un courant de gaz inerte, sous faible pression, par exemple de l'azote ou de l'argon, pour contribuer à isoler thermiquement 11 injecteur du réfractaire, tout en empêchant le métal liquide de refouler dans cet intervalle. Cette disposition est également de nature à faciliter le rattrapage de l'usure du tube injecteur en le faisant avancer à mesure qu'ii s'use, ce qui ne serait quère possible si ce tube était cimenté au réfractaire.
D'autres formes de mise en oeuvre du procédé suivant l'inventa et d'autres formes de réalisation de l'appareillage pour son exécution pourront être déduites, toujours dans le cadre de
<Desc/Clms Page number 9>
l'invention d'après les exemples donnes ci-dess à titre non @ limitatif.
En ce qui concerne les applications de l'invention; celles--ci intéressent essentiellement l'affinage des fontes et aciers, y compris les aciers inoxydables, ainsi que le traitement, par l'oxygène d'autres métaux ou alliages, en particulier du zinc.
L'invention est également susceptible d'être appliquée, d'une manière générale, à la conduite des réactions fortement exothermiques dans lesquelles la mise en oeuvre de tuyères pour l'insufflation d'oxygène, pur ou mélangé à d'autres gaz tels que notamment la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique exigeait jusqu'ici l'emploi d'une circulation d'eau pour refroidir ces tuyères':