Brevet FR2008748A1 — publié le 19700123

La présente invention concerne la fabrication de métaux sous forme d'articles de section mince tels que des feuilles ou des tubes; l'invention vise notamment la fabrication de bandes d'acier et de fer. On stest aperçu depuis de nombreuses années qu'il serait avantageux de trouver une solution de rechange aux hauts fourneaux qui constituent un équipement onéreux et consommant du coke de qua litd supérieure et dtun prix élevé. On a déjà-essayé de fondre des minerais de fer avec des fluants par introduction du mélange dans une flamme et récupération de la fonte liquide et du laitier dans un bac à réaction.Ces procédés sont denomms--respectivement "Jet Smeltingu au Canada et "Flame 5meltingw en Grande-Bretagne. Ils n'ont cependant pas dépassé le stade expérimental car la fonte obtenue revient plus cher que par le procédé des hauts fourneaux. On s'est en outre aperçu qu'il est plus avantageux de produire des métaux sous forme de bande mince par agglomeration de particules solides de métal plutst que par laminage du matériau à partir de lingots massifs. La recherche importante consacrée à la mXtallurgie des poudres a produit une littérature abondante. Bien que le laminage direct d'une poudre en une bande relève en principe d'une technique simple, se réalisation présente de grandes difficul- tés et en dépit des efforts nombreux tentés dans ce domaine, les bandes de métal nesont pas encore produites de cette façon à grande échelle. On sait maintenant que la réduction de composés m6talli- ques peut entre effectue de manière à produire le métal sous forme d'une couche cohérente, et que, si on utilise un matériau brut de pureté et de composition appropriées, on peut obtenir une banda, une feuille ou d'autres produits métalliques de section mince, d'une qualité acceptable beaucoup plus simplement qusauparavent-. Le procédé de la présente invention pour la fabricàtion d'un article métallique de section mince consiste à diriger sur un support un courant de gaz contenant des particules d'un composé métallique, les conditions dans le courant gazeux étant telles qu'au moins une partie du composé soit réduite en métal de façon qutil se produise une fusion des particules pour former une couche cohérente sur le support. L'invention a également pour objet un appareil de mise en oeuvre du procédé précité. Cet appareil comprend une chambre pourvue de moyens permettant l'introduction d'un courant de gaz ré ducteur renfermant des particules d'un composé métallique, et dirigelant les particules sur un support disposé à l'intérieur de la chambre de façon telle que-la fusion des particules se produise pour former une couche cohérente sur le support. Un avantage important de la présente invention est mulon peut donner à l'article métallique fini la porosité et la résistance mécanique voulues en faisant-subir au métal déposé un travail à chaud après qu'il ait formé une couche cohérente et pendant qu'il est encore chaud0 On s'est aperçu que la couche -fratche ou couche "verte" formée sur le support par fusion de particules de métal a une résistance suffisante pour pouvoir etre retirée de son support en tant qu'article auto-porteur, même lorsque cette couche a encore la température nécessaire au travail chaud.Ce ppint. est perticu- fièrement avantageux car dans ders préférés de mise en oeuvre du procédé de l'invention on utilise des supports dont l'épaisseur est comparable à celle de la couche de métal, par exemple un support en bande continue, et dans ce cas le travail à chaud du métal ne peut outre effectué alors que ce dernier est encore en contact avec le support car selui-ci risque de se déformer ou mema outre d6-truit. Le procédé de l'invention consiste donc en outre à sou- mettre la couche de métal ainsi formée à un-travail à chaud qui est. effectué (a) soit avant soit après retrait de la couche. de métal de son support, lorsque celui-ci n'est pas déformable, (b) après le retrait de la couche de métal de son .support.loreque- celui-ci est déformable. La présente invention peut s'appliquer à la. réduction d'un grand nombre de minerais pour en récupérer le métal sous forme de bande, ds tube ou d'autres articles de section mince. L'opéra- tion peut être effectuée par lots ou en continu.Elle trouve une ap- plication particulièrement avantageuse dans le domaine de la métal lurgie du fer, et, dans-un but de simplification, elle sera décrite en vueds la fabrication d'une bande de fer ou dtecior. Ainsi l'invention comprend un procédé pour la fabricatisn d'articles ferreux ou à base de fer, de section réduite,- ce procédé consistant à rédui- re l'oxyde de fer en fines particules au moyen de gaz réducteurs à temperature-élevée appliqués sous forme d'un jet de manière diriger sur un support les particules réduites.Les particules fusionnent sur le support. et après refraidissement-, elles formen-t une couche cohérente. Cette couche cohérente peut alors Titre soumise à un traitement ultérieur au cours duquel on achève la réduction et on effectue tout réglege approprié de sa ten ur en carbone, après quoi on comprime la couche.On peut laisser la couche sur.le support ou l'en retirer pour lui faire subir un traitement ultérieur approprié à se nature et à celle du support utilisé.- Normalement, on retire la couche de métal du support avant de la soumettre à un travail à chaud, ce qui permet à la température de s'uniformiser dans l'épais- seur de la couche et rend plus facile l'étape ultérieure de réduction. Dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, la composition du matériau brut doit entre étudiée avec soin. Clest ainsi que les matériaux étrangers qui sont indésirables et risquent de contaminer le produit fini ne doivent pas être présents en quantités importantes. flans le cas d'oxydes de fer, il est extrêmement souhaitable de ne traiter que des oxydes dont la pureté est de l'ordre d'au moins 98%, tels que les oxydes provenant par exemple de la purification de minerais bruts, de superconcentrés, de minerais naturais très purs, ou d'origine synthétique. L'un des avantages du procédé suivant l'invention est que Si on utilise comme matière première un oxyde extrtmement pur et comme combustible des hydrocarbures à faible teneur en soufre, la bande d'acier obtenue est d'excellente qualité et ne contient qu'une quantité infime de phosphore et de soufxe.-Comme l'acier doit titre maintenu hors de contact avec l'azote, sa teneur en azote est également très basse. On peut ajouter à la poudre principale initiale- ou à oxyde de fer ou introduire séparément des constituants et allie ges tels que du manganèse et du nickel, sous forme d'oxydes ou d'alliages ferreux, pour obtenir un acier de composition voulue. L'oxyde purifié qui peut se présenter sous forme de Fi30, ou de Fa3 04 ou d'un mélange des deux, peut Outre introduit dans un jet de gaz réducteurs à température élevée Ce jet peut brtler avantageusement de 11 hydrogène, des hydrocarbures liquides ou gazeux ou des mélanges d'hydrogène et dthydrocarbures, un combustible carboné ou du gaz naturel, ou d'outres mélanges renfermant de l'hydrogène, des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone. De l'o xygèna ou de l'air enrichi d'oxygène est introduit dans le jet pour permettre l'établissement d'une combustion partielle, mais on maintient une atmosphère réductrice en utilisant un excédent de gaz réducteurs ou de combustible ou en admettant davantage de gaz en différents. points de la chambre principale. L'oxyde de fer peut être obtenu avantageusement par un procédé chimique tel que l'un des procédés nFlox", ou sous forme d'un superconcentré et il est de préférence finement divisé. -Pour que l'opération soit effectuée & température élevée, les gaz réducteurs, oxyde introduit et l'oxygène peuvent être préalablement chauffés.Les températures du courant gazeux sont généralement de l'ordre de 1000au à 2500oc, bien que dans certains cas des températures plus élevées puissent être utiles. Si l'oxyde de fer se présente sous forme de Fe304, on peut l'introduire dans la chambre dans une flamme oxydante pour le convertir exothermiquement en Fe203 ce qui élève rapidement sa température. Pour réduire ultérieurement le Fe203 on introduit des gaz réducteurs plus loin en aval. Les particules d'oxyde Wui traversent rapidement les gaz réducteurs à température élevée sont partiellement ou complètement réduits en fer métallique.Si on le désire, on peut effectuer à ce stade une certaine cémentation du métal en réglant de façon appropriée les hydrocarbures contenu9 dans le courant gazeux, la température ou la concentration d'oxyde de carbones Finalement, les particules solides ou liquides frappent le support sur lequel elles sont dirigées; 1à elles s'aplatie- sent, se déforment plastiquement et s'amalgament en une couche continue. es particules peuvent provenir d'un ou de plusieurs jets. Lorsqu'on utilise plusieurs jets, on peut les disposer longitudinalement et transversalement par rapport au support. En VariaR- te? un courant de particules peut outre produit par les gaz qui en- trainent oxyde par une fente s'étendant sur la largeur du support. Il est avantageux que le support se déplace par rapport à la source de particules de manière qu'une couche continue se dépose sur le support dont on la sépare ensuite. Lorsqu'on veut obtenir des articles en bande, on peut utiliser comme support par exemple une bande continue à condition de retirer la couche déposée avant de lui faire subir un traitement à chaud. Lorsqu'on veut obtenir des erti- cles tubulaires le support peut entre un mandrin tournant. Si on le désire, les jets peuvent également se déplacer transversalement ou longitudinalement par rapport au support. Si nécessaire, le support peut outre pourvu de moyens de refroidissement. I1 est avantageux que la surface du support sur laquelle les particules sont déposées soit telle que les particules ne puissent pas adhérer, ou n'adhèrent pas fortement puisqu'ensuite la couche "verte" doit entre séparée du support. Les supports déformables, c'est-à-dire ceux faits dans les matériaux qui se déforme- raient plastiquement ou casseraient dans les conditions- nécessaires au travail à chaud, peuvent être en céramique, en matériau vitreux ou en amiante. Ces supports comprennent les bandes métalliques sans fin. Les supports non déformables sont généralement en métal, notamment en acier ou en cuivre. On peut utiliser ces deux types de support, avec un agent de décollement si nécessaire.La condition de surface du support est un facteur important et cette surface ne doit pas Entre trop lisse, ce qui rendrait plus difficile le dépit i la couche cohérente initiale. La couche d'acier ou de fer déposée sur le support refroidi a généralement une épaisseur comprise entre 0,25 mm et 12,70 mm avant travail à chaud. Elle est cohérente et peut Titre dé coll6e du support lorsqu'elle est encore chaude et transportée au moyen d'une courroie transporteuse ou d'un dispositif analogue résistant à la chaleur dans un four tunnel alimenté en gaz réducteurs tels que H2 et/ou des hydrocarbures et/ou un mélange approprié de CO/C02 à température élavée. Les températures appropriEes sont de l'ordure de 1000 à 1200*C. A de telles températures, tout l'oxyde restant est réduit.Pour réglar la teneur en carbone de l'acier, on maintient une proportion appropriée de CO/C02 et/ou de H2/hydrocarbures dans le tunnel. Près de la sortie du tunnel, la bande d'acier formée à partir de la couche initiale peut entre refroidie dans une zone de refroidissement à une température convenant au travail à froid, après quoi t elle passe directement dans un laminoir ou dans un autre dispositif de compression. Il est généralement souhaitable que le four tunnel soit agencé de manière que la bande déposée reste en contact avec une atmosphère inerte ou r6duciize jusqu'à l'étrangle- ment du laminoir ou jusqu'à la portion correspondante du dispositif de compression utilisé. En pratique, il est également souhaitable qu'à la sortie du laminoir et au cours du traitement ultérieur de la bande réduite, on veille à minimiser le degré dioxydation du métal. Au voisinage de l'extrémité du du tunnel mais avant compres- sion, on peut appliquer sur la bande des revetements d'autres métaux ou alliages par vaporisation de liquide ou de poudre pour obtenir un produit composite stratifié. L'adhérence de tels revête- ments sur le fer ou sur l'acier est excellente et'la bande qui en résulte ne se délite pas au laminage ou au cours de traitements ultérieurs. Lorsque le procédé de la présente invention est appliqué en continu, certaines difficultés peuvent provenir de la nécessite de retirer continuellement la couche de métal déposée de sa zone de formation. C'est ainsi que lorsqu'on retire de façon continue des tubes vers le bas ou des produits plats ou de formes ouvertes simples dans le sens horizontal, il se peut qu'on obtienne des articles défectueux car certaines portions de- la couche formées en premier adhèrent temporairement au support et leur retrait prut pro voquer la formation de fissuras dans ces portions. Suivant un autre aspect de l'invention, on on procède en continu et le support sur lequel la couche de métal se forme est soumis à un mouvement de va-et-vient.surajouté1 parallèle au sens. d'avancement du support. La période de ce mouvement peut varier considérablement mais il est avantageux de deplacer le support dans son sens d'avancement sur une courte distance et à une vitesse relativement lente, puis de le déplacer en sens inverse à une vitesse relativement rapide jusqu'à ce que la période soit terminée. A titre indicatif, pour retirer une bande verticalement vers le bas à la vitesse de 3 mètres par minute environ, la vitesse de déplacement du support vers le bas est de 3,20 màtras par minuta vers le bas sur une longueur de 2,54 cm environ suivie d'une vitesse de déplacement du support vers le haut de 9,15 mètres pour terminer la période. Comme agent de décollement on peut utiliser par exemple du graphite en suspension dans une basa huileuse qu'on applique an continu sous'forma d'une mince pellicule sur la surface du support. Les produits plats et les tubes obtenus par dépit à l'intérieur d'un support externe sont faciles à séparer de leur support mais les dépits faite sur un support constitué par un mandrin refroidi à l'eau peuvent entre difficiles à retirer en raison du r6- trécissement qui-se produit, à moins que le mandrin ne soit légère ment effilé. Un effilement de 2% environ suffit dans le plupart des cas, Lorsqu'on veut obtenir des produits composites stratifiés, on peut déposer successivement des couches des divers métaux ou oxydes avant de retirer le tube ou la bande de la chambra. Après avoir retiré le produit du support, on achève la réduction en métal et on comprime le tube ou la bande par laminage ou par un autre traitement comme indiqué précédemment, il est généralement souhaitable que le tube ou la bande ainsi obtenus reste en contact avec des gaz inertes ou réducteurs jusqu'à son laminage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des figures annexées qui représentent à titre d'exemple non limitatifs deux modes de réalisa- tion de l'invention. La figure I est une vue de contés en coupe, diun dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention La figure 2 est une vue de coté, en coupe d'une varien- te du dispositif de la figure 1 qui comporte un support animé d'un mouvement de va-etvient. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend une chambre de réaction formée par un corps I et par un dessus convergent 2 dans lequel est monté un dispositif d'injection 3 pour l'ad- mission dù minerai et des gaz réducteurs. Le dispositif d'injection 3 comprend un tube central 4 pour l'admission de minerai purifié et éventuellement de matériaux d'alliage, enpuré-de tubes coaxiaux 5 et 6 pour l'admission de combustible gazeux et d'oxygène gazeux respectivement.Des prises d'évacuation 7 7 sont ménagées dans le des- sus 2 de la chambre et les parois du corps I de la chambra sont pourvues d'orifices d'admission de 5 de gaz B pour protéger las parois de la chambre de réaction par un rideau de gaz. Pour que la réaction aboutisse plus rapidement, on utilise les gaz réducteurs chauds de la chambre de réaction pour chauffer et réduire préalablement l'oxyde avant de l'injecter par le dispositif d'injection 3. Le fond du corps 1 de la chambre est fermé effectivement par une bande ou courroie sans fin d'acier inoxydable 9 qui est entraînée par des poulies. 10 et 1t dans le sens des aiguilles d'une montre et traverse des joints appropriés disposés à la partie inférieure des parois du corps t. La courroie 9 sert ainsi de fond à la chambre de réaction. Dans cette portion de son trajet, elle est soutenue par des galets supports 12. Des tubes 13 permettent de vaporiser le dessous de la courroie 9 avec un produit réfrigérant. La courroie 9 passe successivement sur des galets de tension 14 et sur des galets de guidage 15 pour passer dans un bac de nettoyage 16. La chambre de réaction est balayée par des indicateurs de radiation non représentés qui mesurent la densité des particules en suspension au voisinage de la courroie 9 en différents points de sa largeur. La chambre de réaction se prolonge sur la droite par une chambre de traitement auxiliaire 17 qui comprend un orifice d'admission de gaz chauds 18 et un orifice d'évacuation de gaz 19. Les gaz chauds sont introduits dans la chambre 17 pour réduire, cémenter et faire subir à la bande tout traitement ultérieur nécessaire. Une lame de décollement 20 est disposée contre la poulie 10 pour séparer la bande de la courroie 9 après quoi la bande passe sur des courroies transporteuses 21 dans la chambre 17 en direction d'une zone de refroidissement située à l'extrémité droite de la chambre 17 et alimentée en gaz réfrigérant par un orifice d'admission 220 Des déflecteurs 23 sont disposés dans la chambre 17. Ceux de gauche sont destinés à protéger un indicateur d'épaisseur 24 qui balaie la bande sur la courroie 9. Du gaz réfrigérant est envoyé sur llindicateur 24 par un orifice d'admission 25 pour le refroidir. La chambre de traitement auxiliaire 17 si'étend jusqu'à l'étranglement des cylindres 26 d'un laminoir que traverse la bande pour entre laminée à 11 épaisseur voulue. Sur la figure 2, la chambre de réaction et les pièces désignées par les références 1 à B sont identiques à celles de la figure 1. Par contre, à la place de la courroie sans fin et des pièces qui s'y rattachent, désignées par les références 9 à 16 sur la figure 1, le fond de la chambre de création qui sert de support au métal déposé, est constitué par une sole plate 9a qui comporte un passage interne 10e rempli de liquide réfrigérant qui pénètre dans le passage 10 a par un orifice d'admission 11agent en sort par. un orifice de sortie 12av La sole Sepeut être animée d'un mouvement de va-et-vient horizontal par un mécanisme de commande non reprk- santé. La course de la sole est avantageusement de 76t2 mm envsiron, sa vitesse de déplacement de 18,28 mètres environ par minute vers la droite et de 61 mètres environ par minute vers la gauche, lorsqu'on regarde le dessin. La bande de métal formée est tirée par les cylindres 26 et par les courroies 21 à une vitesse de 17,67 mètres environ par minute La chambre de traitement auxiliaire et les autres parties du dispositif désignées par les références 17 à 25 sont identiques à celles de la figure 1. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention R E V E N DI C A T I ù N S 1. Procédé de fabrication d'articles métalliques de section mince, qui consiste s à diriger sur un support un courant de gaz renfermant des particules dtun composé métallique, les conditions dans le courant gazeux étant telles qu'au moins une par -tie du composé soit réduite en métal, de façon qu'il se produise une fusion des particules. pour former une couche cohérente sur le support; - à soumettre la couche ainsi formée et encore chaude 8 un travail à chaud, ledit travail à chaud étant effectué (a > dans le cas d'un support non déformable soit avant, soit après retrait de la couche déposée du support ou (bJ dans le cas d'un support déformable, après retrait de la couche du support. 2. Procédé suivant 1 dans lequel la couche déposée est retirée du support et transportéa dans un four tunnel alimenté en gaz réducteurs à température élavée pour réduire en métal tout composé métallique réductible restant avant le travail à chaud* 3. Procédé suivant 1 ou 2 dans lequel le composé métallique comprend de oxyde de fer. 4. Procédé suivant 3 dans lequel I'oxyde est d'une pure- té d'au moins 98%. 5. Procédé suivant l'un quelconque des paragraphes pr*dt- dents dans lequel des éléments d'alliage ou des composés réductibles de tels éléments sont ajoutés aux particules à traiter. 6. Procédé suivant t dans lequel le courant gazeux coiprend de 11 hydrogène, des hydrocarbures liquides ou gazeux, des m~ langes d'hydrogène et d'hydrocarbure, du combustible carboné ou du gaz naturel ou des mélanges renfermant de l'hydrogène, des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone. 7. Procédé suivant 6 dans lequel la température du courant gazeux est comprise entre 1000 et 2500'C. 8. Procédé suivant 2 dans lequel les gaz réducteurs comprennent de l'hydrogène, des hydrocarbures, un mélange de CO/C02 ou des mélanges de ces corps. 9. Procédé suivant B dans lequel la température des gaz réducteurs est comprise entre 1000 et 1200 C. 10. Procédé suivant l'un quelconque des paragraphes précédents dans lequel la support est soumis à un mouvement surajouté de va-et-vient parallèle au sens de retrait de la couche déposée. 11. Procédé suivant 10 dans lequel la période du mouvement de va-et-vient comprend une vitesse vers l'avant relativement lente et une vitesse vers l'arrière relativement rapide, 12. Procédé suivant i'un quelconque des paragraphes pré cédents-dans lequel un agent de déXollement est appliqué sous forme d'une fine pellicule sur la surface du support. 13. Procédé suivant 12 dans lequel l'agent de décollement est du graphite en suspension dans une base huileuse. 14. Article métallique obtenu suivant un procédé tel que décrit en l'un quelconque des paragraphes précédents. 15. Dispositif pour la fabrication d'articles métalliques de ~section mince qui comprend : une chambre pourvue d'organes pour admettre un courant de gaz réducteurs renfermant des particules d'un composé métallique et pour diriger les particules sur un support non déformable disposé à l'intérieur de la chambre de façon qu'il se produise une fusion des particules pour former une couche cohérente; des moyens pour travailler à chaud la couche déposée soit avant soit après son retrait du support tandis quelle est encore chaude et des moyens pour retirer la couche déposée de la chem- bre. 16. Dispositif pour la fabrication d'articles métallique de section mince qui comprend s une chambre pourvue d'organes pour admettre un courant de gaz réducteurs renfermant des particules d'un composé métallique et pour diriger les particules sur un support déformable disposé à l'intérieur de le chambre de façon qu'il se produise une fusion des particules pour former une couche cohérente, des moyens pour travailler à chaud la couche déposée après son retrait du support tandis quelle est encore chaude, et des moyens pour retirer la couche déposée de la chambre. 17. Dispositif suivant 15 ou 16 qui comprend un four tunnel, des organes pour alimenter ledit four tunnel en gaz réducteurs à température élevée, des organes pour retirer la couche déposée du support et pour la transporter dans le four tunnel avant de la tra vailler à chaud. 18. Dispositif suivant 15 ou 16 dans lequel le courant de gaz renfermant les particules de composé métallique est admis par des buses formées dans la paroi de la chambre et disposées longitudinalement et transversalement par rapport au support, 19. Dispositif suivant 15 ou 16 qui comporte en outre des organes conférant au support un mouvement de va-et-vient parallèle au sens de retrait de la couche déposée. t 20. Dispositif suivant 19 qui comporte en outre des organes pour appliquer sur la surface du support un agent de décollement sous forme d'une mince pellicule. 2l. Article métallique à section mince obtenu au moyen d'un dispositif suivant l'un quelconque des paragraphes 15 à 20.