Soufflage d'oxygène dans l'élaboration de l'acier convertisseur

  Soufflage d'oxygène dans la sidérurgie de conversion

De l'oxygène (O2) est soufflé sur le métal chaud dans le convertisseur pendant la fabrication de l'acier pour éliminer les impuretés telles que le carbone (C), le silicium (Si), le manganèse (Mn) et le phosphore (P), etc. Une lance refroidie à l'eau est utilisée injecter de l'oxygène à très haute vitesse dans un bain liquide pour produire de l'acier. Dans les années 1950, lorsque le procédé de convertisseur soufflé par le haut a été commercialisé et que la taille du convertisseur était limitée à 50 tonnes maximum, une lance avec une pointe de lance à un seul trou était utilisée pour le soufflage d'O2 dans le convertisseur. Au fil du temps, la taille du convertisseur n'a cessé d'augmenter. Cela a nécessité l'augmentation du nombre de trous dans la pointe de la lance pour une meilleure répartition de l'O2 sur une plus grande surface du bain dans le convertisseur.

Avec les demandes croissantes pour produire des aciers de meilleure qualité avec des niveaux d'impuretés plus faibles, de l'O2 de très haute pureté est nécessaire pour la fabrication de l'acier dans le convertisseur. L'O2 nécessaire à la fabrication de l'acier doit être d'au moins 99,5 % pur, et idéalement de 99,7 % à 99,8 % pur. Les parties restantes sont de 0,005 % à 0,01 % d'azote (N2) et le reste est de l'argon (Ar).

Dans les convertisseurs soufflés par le haut, l'O2 est éjecté à des vitesses supersoniques avec des buses divergentes convergentes à l'extrémité de la lance refroidie à l'eau. Un puissant jet de gaz pénètre dans le laitier et frappe la surface du bain liquide pour affiner l'acier. Aujourd'hui la plupart des convertisseurs fonctionnent avec des pointes de lance contenant 3 à 6 buses. Même 8 pointes de lance à buses sont en cours d'utilisation. Les axes de chacune des buses d'une lance avec une pointe de lance à trous multiples sont inclinés par rapport aux axes de lance et espacés de manière égale autour de la pointe. La pointe de la lance est en cuivre et est soudée au tube en acier de la lance.

Les débits d'O2 et la vitesse d'écoulement d'O2 avec la taille du tuyau de lance pour différentes tailles de convertisseur sont donnés dans le tableau 1

Tab 1 Débits de conception dans la lance du convertisseur
Taille de la chaleur du convertisseur en tonnes	Débit d'oxygène en N Cum/h	Diamètre intérieur du tuyau X épaisseur en mm	Vitesse du flux d'oxygène en m/sec
250-300	58000-66000	245×8	43.5-49.5
210	48000-54000	219×8	45.8-51.5
180	39000-44000	194×6	46.3-52.2
150	30000-33000	168×6	48.4-53.3
120	26000-28000	159×6	47.3-50.9
80	18000-20000	133×5	46.8-51.9
60	14000-16000	121×5	44.7-51.0
50	11000-13000	114×5	40.0-47.3

Dans la fabrication de l'acier de conversion, l'O2 à une vitesse supersonique est soufflé sur le métal chaud pour éliminer les impuretés telles que C, Si, Mn et P, etc. Pendant le soufflage, la hauteur de la lance est réduite pour rendre l'O2 disponible dans le bain pour l'élimination de C. Il faut environ 15 à 20 minutes pour souffler l'O2 pour le raffinage. Le temps de prise à prise varie entre 50 et 60 minutes en fonction du débit d'O2, de la composition du métal chaud, du profil de la lance et de la chimie de l'acier. Il est intéressant de noter que le temps de soufflage d'O2 et le temps de prise à prise ne dépendent pas significativement de la capacité du convertisseur.

L'O2 est insufflé dans le convertisseur à travers une lance refroidie à l'eau (près de 8 m à 10 m de long) avec une buse convergente-divergente à haute pression (environ 11-14 kg/cm²) et à vitesse supersonique (nombre de Mach supérieur à 1) . Le jet supersonique d'O2 de la buse permet un entraînement plus élevé d'O2 dans le bain liquide. Lors du soufflage, une dispersion triphasique constituée de laitier/gouttelettes métalliques/bulles de gaz se forme. La partie la plus importante de la lance est la pointe de la buse. Il est conçu pour produire un jet d'O2 libre non coalescent. Les fonctions de la buse sont les suivantes.

• Fourniture et distribution d'oxygène
• Produire un jet gazeux
• Pour provoquer l'agitation du bain
• Produire des gouttelettes de métal

Une fois que la chaleur précédente a été prélevée et que le laitier a été drainé, le revêtement est inspecté. La ferraille et la fonte sont facturées. Le convertisseur est incliné en position verticale et la lance est abaissée dans le récipient pour démarrer le soufflage d'O2. La sélection de la hauteur de départ de la lance doit être telle que la concentration de la force au niveau du bain ne provoque pas l'éjection de minuscules particules de fer (étincelles) et en même temps la surface maximale du bain est couverte par le jet d'O2.

Initialement, l'O2 est soufflé doux en maintenant la hauteur de la lance plus élevée pour favoriser la formation de laitier et pour éviter l'éjection de petites particules, car le métal chaud n'est pas recouvert de laitier. La chaux est normalement ajoutée au début du soufflage et également pendant le soufflage. L'O2 est insufflé pendant environ 15 à 20 minutes en diminuant progressivement la hauteur de la lance de sorte que le moussage du laitier reste sous contrôle et que les réactions d'oxydation se déroulent sans interruption.

L'approvisionnement en O2 sous forme de jet de gaz libre est une caractéristique importante de la fabrication de l'acier de conversion à la fois dans les convertisseurs soufflés par le haut et dans les différents types de convertisseurs soufflés combinés. Dans cette forme d'alimentation en O2, le temps total de soufflage d'O2 est presque indépendant de la capacité du convertisseur, du taux de soufflage d'O2 et de l'agitation du fond. Cela se reflète en évaluant le débit d'impulsion sans dimension par rapport au temps de soufflage / temps de soufflage total pour différentes capacités de convertisseur allant de 30 tonnes à 400 tonnes.

On a vu que le débit d'impulsion sans dimension décrit l'action du jet d'O2 libre produit par un débit volumique constant d'O2 à différentes hauteurs de lance. Le nombre de débit de quantité de mouvement sans dimension augmente avec la diminution de la hauteur de la lance. La diminution de la hauteur de la lance rend le coup dur et l'augmentation de la hauteur de la lance rend le coup doux. Le profil de la lance peut être considéré comme générant un coup doux au départ et un coup progressivement plus dur au fur et à mesure de la progression du coup.

Les exigences fondamentales du profil de lance dans toutes les aciéries de convertisseur sont la formation de scories riches en FeO (oxyde de fer) dans l'étape initiale, puis l'élimination de C et P en augmentant progressivement la disponibilité d'O2 dans le bain pour éviter une oxydation excessive des scories. La première exigence est atteinte par ? coup doux ? (pénétration peu profonde du jet) et l'autre exigence est atteinte en durcissant progressivement le soufflage (pénétration profonde du jet dans le bain). Ainsi, le soufflage doux et dur est une exigence essentielle de l'affinage du métal chaud par impact du jet d'O2, quels que soient la capacité du convertisseur et le type de pratiques de fabrication de l'acier du convertisseur (soufflage supérieur pur ou soufflage combiné), de sorte que le temps total de soufflage d'O2 reste plus ou moins le même. .

Disponibilité de l'oxygène

L'O2 est énergétiquement disponible pendant le processus de raffinage dans le convertisseur. La disponibilité énergétique de l'O2 est obtenue en faisant passer un certain débit d'O2 à travers la buse.

Dans la sidérurgie des convertisseurs, l'O2 est soufflé à travers des buses Laval. Une tuyère Laval également appelée tuyère convergente-divergente et se caractérise par un passage d'écoulement dont la surface de section diminue dans le sens de l'écoulement et atteint une surface de section minimale puis augmente encore dans le sens de l'écoulement. La surface de section transversale minimale du passage d'écoulement est appelée gorge de la buse. La tuyère Laval peut accélérer le gaz à la vitesse supersonique (nombre de Mach supérieur à 1). En fait la vitesse du gaz à la sortie correspond à une valeur de Mach d'environ 2,0 à 2,4.

Comportement du jet de gaz libre

Le comportement d'un gaz lorsqu'il sort d'une buse Laval unique dans l'environnement constitué d'air montre que le gaz en sortie par une buse se propage dans l'environnement et est appelé « jet de gaz libre », car la propagation n'est pas confinée. Un jet libre dans l'environnement est caractérisé par la longueur potentielle du noyau (PCL) et la longueur du noyau supersonique (SCL). Dans le noyau potentiel, aucun entraînement de l'environnement ne se produit et, par conséquent, la vitesse du gaz dans les directions axiale et radiale est celle à la valeur de sortie. Au-delà du noyau potentiel, les vitesses radiale et axiale commencent à diminuer en raison du divertissement de l'environnement. Cependant, un point est atteint dans le jet de gaz libre auquel la vitesse du gaz atteint une valeur sonique (M =1). Dans la longueur du noyau supersonique, la vitesse du gaz est supérieure à la valeur supersonique dans les directions radiale et axiale. Au-delà de la longueur du noyau supersonique, la vitesse du gaz est subsonique. Ainsi, l'étalement radial et la décroissance de la vitesse axiale au-delà du noyau potentiel sont les principales caractéristiques d'un jet de gaz libre.

En raison de l'étalement, la masse du jet augmente, ce qui signifie que la concentration du gaz au plan P =0 diminue en raison de l'entraînement de l'environnement. Si l'O2 s'écoule à travers la buse, la concentration d'O2 au plan P2 est inférieure à celle de P1 et de P=0. Mais la masse du jet (le jet est constitué du fluide principal + l'environnement) en P2 est supérieure à la masse en P1. La vitesse axiale du jet est fonction de la distance axiale mesurée à partir de la sortie de la buse.

L'une des propriétés importantes du jet libre est qu'il entraîne avec lui un débit d'impulsion qui, en frappant le liquide, est converti en force et pénètre dans le liquide. Le débit d'impulsion dans le jet est conservé. C'est une propriété importante du jet car elle ne dépend que des variables en amont comme la pression, le nombre et le diamètre de la buse. Cela ne dépend pas des conditions en aval.

Le comportement des jets produits par les pointes multi-buses dépend du nombre de buses et de l'angle d'inclinaison de chaque buse avec l'axe de la lance. Le nombre de buses dans la fabrication de l'acier convertisseur varie en fonction de la capacité du convertisseur, mais en général il se situe entre 3 et 6. L'angle d'inclinaison de chaque buse pour une pointe de lance à trois trous est normalement de 10 à 12 degrés et pour une pointe de lance à cinq à six trous est généralement de 15 à 16 degrés avec l'axe de la lance.

Les multi jets de gaz libres en aval de la buse peuvent coalescer ou non dépendraient de l'angle d'inclinaison et du nombre de buses pour une pression en amont et un débit de gaz donnés. Un jet coalescent est similaire à celui d'un jet unique. Lorsque l'angle d'inclinaison est de 10 à 12 degrés pour une lance à trois trous, les jets multiples ne fusionnent pas jusqu'à une certaine distance en aval de la buse. Un jet non coalescent, lorsqu'il est projeté sur le liquide, produira une pénétration égale au nombre de jets.

La décroissance de la vitesse axiale et l'étalement radial dépendent du rapport densité de l'environnement / densité du jet d'O2. Si la densité du jet d'O2 est supérieure à la densité de l'environnement, un tel jet se propage lentement dans l'environnement. La vitesse d'étalement dépend de la valeur du rapport. Par conséquent, la vitesse du jet diminue plus lentement à n'importe quelle distance en aval de l'environnement. Dans une telle situation, un jet froid est déchargé dans l'environnement de métal chaud et la longueur du noyau potentiel, PCL et la longueur du noyau supersonique SCL sont plus longues que lorsque le rapport densité de l'environnement / densité du jet d'O2 est égal à un. Si le rapport densité de l'environnement / densité du jet d'O2 est inférieur à un, le jet d'O2 est plus léger que l'environnement et le jet d'O2 se propage plus rapidement, ce qui réduit la longueur du noyau potentiel PCL et la longueur du noyau supersonique SCL . Dans ce cas, le jet d'oxygène froid est rejeté dans le laitier.

Action du jet d'oxygène libre

La vitesse du jet d'O2 libre est importante. La vitesse axiale diminue à mesure que la distance en aval de la buse augmente en raison de l'entraînement de l'environnement. Dans le convertisseur lorsque le coup commence, l'environnement du jet d'O2 est une atmosphère chaude. Au fur et à mesure que le coup se poursuit, le jet environnant passe du monoxyde de carbone (CO) au laitier. Pendant la plupart des périodes, le jet est immergé dans les scories. L'environnement du convertisseur est dynamique. La vitesse du jet dépend de la pression amont, de la distance axiale aval et de l'environnement. Il est difficile de calculer la vitesse du jet lorsque l'environnement change, mais le débit d'impulsion dans le jet est indépendant de la distance en aval de la buse et peut être calculé.

Le jet entraîne avec lui un débit d'impulsion qui, en frappant le bain, est converti en force. Ainsi, l'action du jet libre peut être décrite en termes de nombre de débit sans dimension. Le nombre de débit sans dimension augmente avec la diminution de la hauteur de la lance. Ainsi, le nombre de débit sans dimension est utilisé pour décrire la variation dynamique de la hauteur de la lance. Le nombre de débit de quantité de mouvement sans dimension signifie l'action du jet d'O2 sur le bain à une hauteur de lance contre la gravité

Pénétrabilité du jet

Le nombre de débit sans dimension décrit l'effet de la hauteur de la lance sur la pénétrabilité du jet. Une pénétration de jet peu profonde telle qu'obtenue à une hauteur de lance plus élevée est un ?jet doux? par rapport au jet pénétrant profond tel qu'obtenu à une hauteur de lance inférieure et est appelé "jet dur".

Cela signifie qu'un débit volumique constant d'O2 fourni à une pression constante lorsqu'il est déchargé à travers une buse peut être amené à atteindre le bain "doux". et peut être rendu progressivement plus difficile. Ainsi, la méthode d'approvisionnement en O2 dans la pratique de la sidérurgie des convertisseurs par ? jet libre ? est très efficace en terme de réactions physico-chimiques.

Les effets induits par un jet d'O2 impactant doux réactif lorsqu'il frappe le bain de métal liquide sont (i) l'oxydation du fer (Fe), (ii) la pénétration peu profonde, (iii) la réaction laitier/métal et (iv) l'amélioration de la formation de laitier. et facilitant ainsi l'élimination du P. Une durée trop longue du jet d'O2 doux entraîne un déversement du laitier en raison d'une oxydation excessive.

Les effets induits par un jet d'O2 impactant dur et réactif lorsqu'il frappe le bain de métal liquide sont (i) la disponibilité d'O2 en profondeur dans le bain, (ii) l'amélioration de l'oxydation du C et l'altération de l'élimination du P, (iii) l'évolution du CO en profondeur dans le bain et sa fuite à travers le bain agite le bain, et (iv) génération de gouttelettes qui sont ensuite émulsionnées dans le laitier.

Les types de jets d'O2 et leurs effets sont illustrés à la Fig 1.

Fig 1 Types de jets d'oxygène et leurs effets

Réactions dans le convertisseur

Dans la fabrication de l'acier O2, le métal chaud saturé en C est soufflé avec de l'O2 pur à des vitesses supersoniques. Les réactions et le mélange sont intenses. O2 réagit avec le Si dissous, le Mn dissous et le Fe lui-même pour former un laitier liquide contenant du FeO. L'O2 réagit également avec le C dissous pour libérer du gaz CO et ainsi décarburer le fer. Le chemin vers l'oxydation de ces éléments (C, Si, etc.) lors de l'affinage de l'acier consiste à insuffler de l'O2 dans la solution de fer au point où sa concentration dans le bain liquide dépasse le niveau d'équilibre autorisé par l'élément d'impureté particulier. L'O2 dissous et l'élément d'impureté dissous se combinent alors pour former du CO gazeux (dans le cas de C) ou de la silice liquide (SiO2, dans le cas de Si). Étant donné que la solubilité de ces deux produits [CO (gaz) et SiO2 (liquide)] est très limitée dans la fonte liquide, ils nucléent rapidement leurs phases séparées, coagulent, se consolident et flottent par l'intense action d'agitation du processus. .

De plus, lors du soufflage intense d'O2 de la fabrication de l'acier, une partie de la fonte liquide est elle-même oxydée en FeO qui se mélange alors intensément avec le bain de métal liquide en une émulsion et peut réagir avec les impuretés dissoutes dans la fonte en fusion directement selon les réactions suivantes .

2Fe (fondu) + O2 (gaz) =2FeO (laitier liquide)

FeO (laitier liquide) + C (dissous dans la solution de fer liquide) =CO (gaz) + Fe (fondu)

2FeO (laitier liquide) + Si (dissous dans la solution de fer liquide) =SiO2 (liquide) + Fe (fondu)

Ces réactions d'oxydation sont fortement exothermiques. La chaleur dégagée par l'oxydation du Si et d'autres impuretés, ainsi que l'enthalpie de l'oxydation du fer lui-même, est utilisée pour faire fondre la ferraille froide afin d'augmenter la taille de la chaleur du convertisseur ainsi que pour augmenter la température de l'acier liquide pour les opérations en aval. Le CO2 n'est jamais produit dans le bain d'un convertisseur sidérurgique, sauf en quantités infimes. Le CO2 (s'il se forme un jour) est rapidement transformé en CO par réaction avec tout C dissous restant. Dans le cas où il ne reste plus de C dissous après l'oxydation du bain liquide, le CO2 est réduit en CO par l'oxydation du Fe lui-même. Ainsi, le CO2 est un oxydant aux températures de fabrication de l'acier. Le produit d'équilibre de la réaction d'oxydation du Fe, ou du C dissous dans le fer, par le CO2 est fortement orienté vers le CO, avec des traces de CO2 selon les calculs d'énergie libre de Gibbs. C agit comme un agent réducteur en FeO selon l'équation ci-dessus, et est un autre facteur qui peut ralentir (ou interférer) avec l'oxydation du fer.

Au cours du processus de fabrication de l'acier, une partie du fer est oxydée au point où elle s'ajoute au pourcentage de FeO liquide dans la phase de laitier liquide qui coexiste dans le convertisseur avec le métal. Si l'O2 est soufflé au-delà du point final de l'oxydation des impuretés, l'oxydation du Fe devient excessive. Cela se traduit par une perte de rendement mesurable de Fe dans le laitier, donnant des concentrations prévisibles, calculables et plus élevées d'oxyde de fer liquide (FeO) dans le laitier. Une fois que le C est oxydé en CO, tout O2 supplémentaire se combine avec le Fe pour produire du FeO dans le laitier.