La demande de brevet européen EP 0 723 129 décrit un four électrique à arc avec des sources alternatives d'énergie pour la fusion d'alliages à base de fer et un procédé de fusion pour opérer un tel four électrique.

Le four comprend: . des tuyères à oxygène positionnées dans le fond du four et introduisant de l'oxygène dans le four, . des tuyères pour injecter des produits contenant du carbone dans la zone située entre le bain de métal liquide et la couche de laitier recouvrant le bain, . des lances à oxygène supersoniques, . des lances injectant du charbon pulvérulent dans le four et coopérant avec les lances à oxygène et . des brûleurs positionnés contre les parois latérales refroidies du four à proximité du bord supérieur du matériau réfractaire, orientés vers le bas et fournissant des gaz à base d'oxygène et des substances combustibles.

Ce four vise à induire et à contrôler des réactions chimiques dans une zone bien spécifique du four de sorte à utiliser au maximum le potentiel énergétique, de l'énergie alternative mise à disposition par les différents moyens énumères ci-dessus.

Les tuyères immergées traversent l'enveloppe et le garnissage réfractaire du four en affleurant ce dernier. Chaque tuyère comporte une conduite intérieure et une conduite extérieure concentrique définissant entre-elles un espace annulaire. Ces tuyères immergées sont utiles pour carburer et décarburer le bain d'acier liquide contenu dans le four et provoquent une homogénéisation du bain par brassage de gaz. Cependant, I'utilisation de telles tuyères immergées

conduit à une usure accélérée de la sole et du garnissage réfractaire en général. De plus, le risque de projections de métal liquide lorsque les tuyères ne sont que peu ou pas du tout immergées est important. Ces projections de métal liquide sont dangereuses et risquent d'endommager le couvercle ou les électrodes du four.

Les lances à oxygène supersoniques sont utilisées pour injecter dans le four de l'oxygène ou de l'oxygène plus des matériaux contenant du carbone. On utilise de telles lances pour la carburation/décarburation du métal liquide et pour le moussage du laitier. Les lances à oxygène supersoniques couramment utilisées sont des lances consommables ou bien des lances refroidies à l'eau.

En général, ces lances ont le désavantages d'être encombrantes, d'avoir des rendements de carburation/décarburation limités et irréguliers. De plus, elles sont difficiles à positionner correctement à l'intérieur du four.

Les brûleurs fixes refroidis à l'eau travaillent en général à des vitesses subsoniques et sont refroidis à l'eau. Ces brûleurs sont utilisés en tant que découpe ferraille tout de suite après le chargement du four ainsi que pour le réchauffage des zones froides dans le four. Leur durée d'utilisation efficace est très limitée, environ cinq minutes par panier de ferraille. Comme ces brûleurs sont refroidis à l'eau, ils sont encombrants et peuvent induire des entrées d'air dans le four.

Depuis quelques années, on installe dans ie four électrique des brûleurs de postcombustion. Ce type de brûleur est monté dans la partie supérieure du four et est utilisé surtout pour oxyder le monoxyde de carbone formé lors de la décarburation du métal liquide en dioxyde carbone pour réchauffer davantage le bain de métal liquide. Cependant, la durée d'utilisation et l'efficacité de ces brûleurs sont limitées. En effet, la chaleur est générée dans la partie supérieure du four et sert dès lors plutôt à réchauffer le couvercle que le métal liquide contenu dans le fond du four.

Un des gros désavantages d'un tel four électrique est sa complexité.

Effectivement, il comprend de nombreux accessoires qui traversent soit la sole du four soit les parois latérales du four.

L'objet de la présente invention est de proposer un procédé de fusion d'alliages à base de fer dans un four électrique dans lequel on utilise des énergies alternatives qui ne présentent pas les désavantages cités ci-dessus.

Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un procédé de fusion d'alliages à base de fer dans un four électrique dans lequel le four est chargé de ferraille, dans lequel au moins une partie de la ferraille chargée est découpée à l'intérieur dudit four par l'intermédiaire d'au moins une tuyère émergée débouchant dans une paroi latérale du four et dans lequel le bain de métal liquide est décarburé par l'intermédiaire de cette tuyère émergée lorsque la ferraille est partiellement fondue.

Ce procédé peut s'appliquer à tout genre de four électrique pour la fusion d'alliages à base de fer dont notamment des fours à courant continu, des fours à courant alternatif, des fours électriques dans lesquels une certaine quantité de métal liquide est maintenue dans le four en permanence ou des fours électriques qui sont alimentés exclusivement par de la ferraille, ou par de la ferraille et des matériau pré-réduits.

Un des avantages de la présente invention réside dans le fait que le four électrique est plus simple à construire et revient moins cher vu qu'un seul dispositif remplit deux fonctions distinctes.

L'encombrement autour du four est réduit. En effet, les tuyères émergées selon la présente invention sont très compactes et peuvent remplacer les brûleurs classiques, les lances à oxygène et éventuellement les tuyères immergées.

Un autre avantage est qu'une usure prématurée de la sole du four électrique n'est pas à craindre puisque le tuyères émergées ne sont pas en contact avec la sole du four.

Les tuyères émergées sont de construction plus simple et de dimensions inférieures à celle des lances à oxygène supersoniques classiques. En effet, ces lances sont généralement amovibles de façon à pouvoir être introduites dans le four uniquement en cas de besoin. Ces lances étant refroidies à l'eau, elles ont un diamètre plus important que les tuyères émergées de la présente

invention. Le risque d'appel d'air via l'orifice d'introduction des lances classiques est réel et nuit au bon fonctionnement du four.

La tuyère émergé fonctionne en deux régimes différents selon la phase du procédé de fusion dans laquelle on se trouve. Après le chargement en ferraille du four électrique, on injecte une quantité sensiblement stoechiométrique de combustible et d'oxygène est injecté de sorte que la tuyère émergée fonctionne en tant que brûleur ou chalumeau. La ferraille qui s'entasse devant la tuyère est découpée. Dans la deuxième phase, la teneur en oxygène est augmentée jusqu'à entre environ trois et environ cinq fois de sorte que l'on se trouve en présence d'un important excès d'oxygène et que la tuyère émergée fonctionne alors en tant que lance à oxygène pour décarburer le bain de métal liquide.

Dans cette deuxième phase, L'oxygène injecté est plutôt utilisé pour décarburer le bain d'alliages à base de fer et ce selon les réactions suivantes: Le monoxyde de carbone est ensuite transformé en dioxyde de carbone.

Le carbone contenu dans le bain provient soit de la ferraille soit de charbon en vrac mélangé à la ferraille soit de dispositifs d'injection de substances contenant du carbone comme p.ex. du charbon pulvérulent.

Les tuyères émergées comprennent un tube central en tant qu'injecteur d'oxygène entouré d'un annulaire alimenté en gaz ou en fuel-oil. Le nez de la tuyère émergée est protégé contre la chaleur par le cracking des hydrocarbures du gaz respectivement du fuel-oil. Les tuyères émergées n'ont pas besoin d'un système de refroidissement à l'eau.

Selon un premier mode de réalisation avantageux, la tuyère émergée est opérée en mode sonique, c.-à-d. que la vitesse des gaz à la sortie de la tuyère correspond à la vitesse du son. Ce mode de fonctionnement garantit une répartition uniforme des débits entre toutes les tuyères installées dans le four et alimentées par une seule conduite d'alimentation.

De préférence, le jet d'oxygène est réglé de sorte à obtenir une bonne pénétration du bain de métal liquide pendant la phase de décarburation.

Par bonne pénétration du bain, on entend une profondeur de pénétration du jet de gaz comprise entre 10 cm et 50 cm.

La profondeur de pénétration d'un jet de gaz peut être estimée à l'aide de la formule suivante: P= A e (-0.78 H/A) où A = 63 (Q/d)0,67 dans laquelle P représente ia profondeur de pénétration du jet (mm), H représente la distance du nez de l'injecteur à la surface du bain dans l'axe du bain (mm), Q représente le débit d'oxygène(m3/h) et d représente le diamètre de l'orifice(mm).

La présente invention permet d'injecter de plus grand volumes d'oxygène par charge que les moyens classiques.

Avantageusement, I'angle de la tuyère émergée avec l'horizontal est supérieur à 25". Ceci permet de limiter les projections de métal liquide.

Le débit d'oxygène injecté en phase de décarburation est de préférence compris entre 500 et 1500 m3/h par tuyère.

Le débit maximal varie en fonction de la capacité du four et du nombre de tuyères installées.

Le débit maximal d'oxygène en fonction de la capacité du four peut être calculé à partir de la formule suivante Qmax=kC dans laquelle 5< k < 15, de préférence k = 10

Qmax est le débit maximal d'oxygène en m3/h et C la capacité du four en t.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, les tuyères émergées sont disposées tangentiellement à un cercle dont le diamètre est d'environ la moitié de celui du four.

De préférence, au moins une des tuyères émergées provoque un chauffage localisé du trou de coulée.

D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation avantageux présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux dessins annexés. Ceux-ci montrent: Fig.1: une coupe schématique dans un four électrique; Fig.2: une vue de dessus d'un four électrique et Fig.3: un diagramme montrant l'évolution des différents débits de gaz dans une tuyère émergée.

La Figure 1 montre schématiquement un four électrique de fusion d'alliages à base de fer, désigné globalement par la référence 10, comprenant une sole 11 en un matériau réfractaire surmontée d'une cuve 12 et d'un couvercle 13.

Pour charger le four en ferraille, le couvercle 13 est retiré, puis la ferraille est déversée dans la cuve 12 du four 10. Lorsque la cuve 12 est remplie de ferraille, le couvercle 13 est replacé sur la cuve 12 et au moins une électrode (non représentée) montée sur un mât (non représenté) par l'intermédiaire d'un bras (non représenté) est introduite dans le four 10 à travers une ouverture 14 (Fig. 2) pratiquée dans le couvercle 13. Le bras peut coulisser sur le mât de façon à pouvoir monter et descendre avec l'électrode.

Lorsque la ferraille est fondue, L'acier liquide est déversé via un trou de coulée 15 (Fig. 2) dans une poche à acier et est amené en-dessous dudit trou de coulée 15.

Les scories sont évacuées par une porte 16 de décrassage latérale.

Selon la présente invention, on équipe le four de tuyères émergées T3 qui sont installées dans la paroi latérale du four, au-dessus de la sole du four. Ces

tuyères émergées sont du même type que les tuyères immergées classiques.

L'avantage que procure leur usage est dû à leur position et à leur mode de fonctionnement plutôt qu'à leur construction particulière.

La Figure 2 montre une vue de dessus du four 10. Sur cette figure on voit la position du trou de coulée 15. Les tuyères T3 sont disposées tangentiellement à un cercle dont le diamètre est égal à environ la moitié de celui du four. Par cette disposition des tuyères T3, on obtient un effet synergique de mise en rotation du bain de métal liquide qui contribue à répartir la chaleur d'une manière régulière dans le bain.

Une des tuyères T3 est installée de sorte que la zone de chauffage se situe à proximité du trou de coulée, zone froide où une certaine surchauffe est toujours utile.

La Fig. 3 montre les débits d'oxygène traversant chaque tuyère émergée pendant un cycle de fusion d'alliages à base de fer. Après la phase d'attente, c.-à-d. après le chargement du four en ferraille, la tuyère est alimenté en oxygène et un gaz combustible tel que le méthane, le propane ou le butane.

Dans cette phase, les deux gaz sont en rapport stoechiométrique de façon à obtenir une flamme très chaude pour découper les morceaux de ferraille empilée en face des tuyères et à réchauffer en même temps le four et son contenu.

Une fois que la ferraille entassée devant les tuyères est dégagée, la quantité d'oxygène dans le mélange est augmentée. L'alimentation en gaz combustible est maintenue pour protéger le nez de la tuyère émergée contre la chaleur. Le jet riche en oxygène ainsi obtenu pénètre dans le bain de métal liquide qui s'est formé dans le fond de la sole. Ce jet de gaz oxydant permet de décarburer le bain de métal liquide. Lorsque le premier panier de ferraille est fondu, on en rajoute un deuxième et les tuyères émergées sont à nouveaux utilisées en tant que brûleurs pour dégager la ferraille en regard des tuyères. Puis, la concentration en °2 du jet de gaz est augmentée pour faire fonctionner les tuyères émergées en tant que lance à oxygène soniques.

En phase d'attente entre deux coulées, I'alimentation en méthane et en oxygène est coupée et on n'injecte que de l'azote à travers les tuyères.