Procédé pour l'enfournement de fines dans un four à arc.
La présente invention concerne un procédé pour l'enfournement de fines dans un four à arc. Elle concerne plus particulièrement l'enfournement sous forme de fines d'un minerai de fer préréduit dans un four à arc utilisé pour la production d'aciers ou de ferro-alliages. Dans le domaine des fours à arc produisant de l'acier à partir de ferraille, il est connu de remplacer une partie de la charge de ferraille par un minerai de fer préréduit. A cette fin, le minerai de fer préréduit est enfourné sous forme de boulettes ou de briquettes, qu'on laisse simplement tomber, par une ouverture dans la voûte du four, dans le bain en fusion. Ces boulettes ou briquettes traversent le laitier recouvrant le bain d'acier et fondent sans problème au contact de l'acier liquide.
Comme on connaît aujourd'hui des procédés produisant du minerai de fer préréduit sous forme de fines, il serait intéressant de pouvoir enfourner le minerai de fer préréduit directement sous forme de fines. Or, un tel enfoume- ment de fines pose des problèmes majeurs. Il faut en effet assurer une pénétration des fines dans le bain métallique; c'est-à-dire éviter soit que les fumées entraînent les fines, soit qu'elles flottent sur la surface du laitier. Il s'en suit qu'un simplement déversement de fines dans le four à arc est exclu.
Il a par conséquent été proposé d'injecter les fines en suspension dans un gaz porteur dans le bain en fusion. Pour éviter l'entraînement de fines par les fumées et assurer la pénétration des fines dans le bain métallique, il faut produire un jet de fines de vitesse élevée. Or, si pour un jet avec un débit massique relativement petit, une vitesse élevée du jet ne cause pas de problème majeur, tel n'est pas le cas pour un jet avec un débit massique élevé. En effet, pour un débit massique élevé, une vitesse élevée du jet de fines risque de provoquer des débordements du bain et/ou des perturbations inacceptables des arcs. Ceci explique que jusqu'à présent l'injection pneumatique de fines a été limitée à dés débits de l'ordre d'une centaine de kilogrammes par minute et par
lance. Du point de vue métallurgique il serait cependant souhaitable de pouvoir injecter ainsi dans un four à arc plusieurs tonnes par minute de fines d'un minerai de fer préréduit.
L'objet de la présente invention est de proposer un procédé permettant d'enfourner, dans des conditions plus favorables, des débits plus importants de fines dans le four électrique.
Selon le procédé de l'invention, l'enfournement de fines dans le four à arc se fait également sous forme d'un jet de fines en suspension dans un gaz porteur. Pour rendre les conditions d'injection plus favorables, l'invention propose d'entourer ledit jet de fines d'une couche de gaz secondaire qui a une vitesse sensiblement plus élevée que le gaz porteur du jet de fines. Cette couche de gaz périphérique haute vitesse constitue une sorte de gaine protectrice autour du jet de fines. Elle focalise et protège le jet de fines à la sortie de la lance d'injection et évite ainsi l'entraînement de fines avec les fumées. Elle facilite de même la pénétration du jet dans le bain en fusion et réduit aussi le risque de bouchage à la sortie de la lance. Il devient par conséquent possible de travailler avec des vitesses du jet de fines relativement faibles. Or, comme le niveau de perturbation du bain par le jet~c'est-à-dire l'importance des vagues, débordements et projections-est en première approximation conditionné par la force d'impulsion du jet--c'est-à-dire en cas d'un jet subsonique, par le produit du débit massique et de la vitesse du jet-on peut par conséquent travailler avec - des débits masse plus élevés pour le jet central de fines si sa vitesse diminue.
De préférence, la vitesse du gaz secondaire est au moins 10 fois plus élevée que la vitesse du gaz porteur. La vitesse du gaz porteur est de préférence limitée à une valeur entre 12 et 25 m/s. Dans ces conditions on pourra avoir un jet avec un débit massique de fines de l'ordre de 15 à 40 kg/s.
La vitesse du gaz secondaire est de préférence proche de la vitesse soni- que. Elle pourrait aussi être supersonique, ce qui nécessiterait cependant des lances d'injection de forme plus compliquée.
La vitesse du gaz porteur et le débit massique des fines sont de préférence déterminés de façon à ce que la force d'impulsion du jet de fines soit comprise entre 300 et 500 N à la sortie de la lance d'injection.
Il sera apprécié que le procédé selon l'invention est spécialement adapté pour injecter un minerai de fer préréduit sous forme de fines dans le four à arc. Comme ces fines contiennent généralement du carbone excédentaire, le gaz secondaire est avantageusement de l'oxygène, dont le débit correspond sensiblement au débit d'oxygène nécessaire à l'oxydation du carbone excédentaire du jet de fines. L'oxydation du carbone excédentaire dans l'oxygène secondaire dégage une énergie calorifique appréciable à l'endroit même où il y a une consommation importante de chaleur due à l'action refroidissante des gaz et à la fusion des fines. Il en résulte une diminution du risque d'un figeage du bain en fusion ou de formation d'accrétions au voisinage du point d'impact du jet, surtout lorsque ce dernier est proche d'une paroi du four. Le procédé selon l'invention permet par conséquent d'espacer le point d'introduction des fines du ou des arcs électriques, ce qui réduit également le risque d'affecter la stabilité des arcs électriques.
Dans les conditions du paragraphe précédent, la vitesse du gaz secondaire est avantageusement déterminée de façon à ce que la force d'impulsion du gaz secondaire soit comprise entre 100 et 300 N. De façon générale on préfère limiter la force d'impulsion totale du jet-c'est-à-dire la somme des forces d'impulsion du jet de fines et du gaz secondaire-à une valeur entre 500 et 700 N.
Reste à noter que pour pouvoir injecter plusieurs tonnes de fines par mi- nutes, on a intérêt à partager le débit de fines à enfourner sur plusieurs lances, de façon à pouvoir limiter le débit de fines par lance à une valeur inférieure à 25 kg/s.
D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un exemple de mise en œuvre présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent:
Fig.1 : une coupe verticale schématique d'un four à arc dans lequel est mis en œuvre le procédé pour l'enfournement de fines selon la présente invention;
Fig.2: une coupe horizontale du four à arc de la Figure 1. Sur les Figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
Les Figures 1 et 2 montrent une représentation schématique d'un four à arc 10 avec trois électrodes 12', 12", 12'", tel qu'il est couramment utilisé pour la production d'aciers ou de ferro-alliages. La référence 14 repère un bain métallique (c'est-à-dire le métal fondu en phase liquide) dans le four à arc 10. Ce bain métallique 14 est recouvert d'une couche de laitier moussant 16 (voir Figure 1).
Pour l'enfournement massif d'un minerai de fer préréduit sous forme de fines, on utilise trois lances 18, 20, 22. Chacune de ces lances 18, 20, 22 définit un conduit central 24, qui est entouré par un conduit annulaire 26. Les fines en suspension dans un gaz porteur, normalement de l'oxygène, traversent le conduit central 24. Dans les Figures, les fines en suspension dans leur gaz porteur sont représentées par une surface pointillée. A travers le conduit annulaire 26 des lances 18, 20, 22, on fait passer de l'oxygène. Selon un aspect important de la présente invention, l'oxygène a une vitesse sensiblement plus élevée que le gaz porteur à la sortie du conduit central 24. En d'autres termes, on entoure le jet de fines d'une couche de gaz secondaire, en l'occurrence de l'oxygène, qui a une vitesse sensiblement plus élevée que le gaz porteur. Comme précisé déjà plus haut, la couche de gaz extérieure haute vitesse constitue une sorte de gaine protectrice autour du jet central de fines. Elle focalise le jet de fines à la sortie de la lance 18, 20, 22 et évite ainsi l'entraînement de fines avec les fumées. Elle facilite aussi la pénétration du jet dans le bain en fusion 14 et réduit le risque de bouchage à la sortie de la lance. Il devient par conséquent possible de travailler avec des vitesses plus faibles du gaz porteur à la sortie du conduit central 24.
Exemple chiffré :
On veut injecter dans un four à arc, ayant une capacité de l'ordre de 100 tonnes par coulée, 4 t/min de fines de DRI (direct reduced iron), du type produit dans un four multi-étages ou dans un lit fluidisé, qui est métallisé à 85% et contient 4,3% de carbone. On répartit ce débit sur les trois lances 18, 20, 22 décrites plus haut, c'est-à-dire qu'on doit injecter avec chaque lance un débit d'environ 22,2 kg/s.
On limite la vitesse du jet de fines à la sortie de la lance à environ 20 m/s de façon à avoir pour le jet central à la sortie de la lance une force d'impulsion de 22,2 kg/s * 20 m/s = 444 N.
Le débit d'oxygène dans le conduit annulaire est déterminé de façon à correspondre sensiblement au débit d'oxygène nécessaire à l'oxydation du carbone excédentaire du jet de fines en monoxyde de carbone. Ceci correspond approximativement à un débit d'oxygène d'environ 1200 m3/h.
On impose à l'oxygène à la sortie du conduit annulaire 26 une vitesse proche de la vitesse sonique (soit une vitesse environ 15 fois plus élevée que le gaz porteur dans le conduit central 24), ce qui donne une force d'impulsion d'environ 150 N pour le jet d'oxygène.
La force d'impulsion totale du jet de DRI enrobé dans l'oxygène sonique est par conséquent de l'ordre de 600 N, ce qui constitue une force d'impulsion suffisamment basse pour engendrer un niveau de perturbations acceptable dans le bain.
Sur la Figure 2 on voit encore que les points d'impact des jets sont situés à une certaine distance des électrodes, afin d'éviter des perturbation trop importantes des arcs. Ceci est possible parce que la combustion du carbone excédentaire dégage une quantité de chaleur suffisante pour éviter le figeage du bain métallique et la formation d'accrétions aux endroits d'injection.
Reste à noter que le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre avec des lances inclinées (telles que montrées sur les Figures 1 et 2) et des lances verticales.