Brevet FR2013162A1 — publié le 19700327

■ La présente invention concerne un procédé de coulée continue de l'acier dans lequel les inclusions d,oxydes contenues dans le métal sont en majeure partie très petites et sont maintenues bien dispersées par un contrôle continu de la nature et de l'envi-5 ronnement du jet de métal entre le creuset de coulée et le moule de façon à en exclure et à en éliminer l'oxygène et les gaz contenant de l'oxygène, ceci en vue d'inhiber la formation d'oxydes autres que ceux qui se forment inévitablement au cours du refroidissement et de la solidification du métal dans le moule lui-même. 10 On sait que l'impossibilité de contrôler la grosseur des inclusions d'oxydes en coulée continue de l'acier empêche d'obtenir par ce procédé des aciers de haute qualité destinés à des fabrications particulières, comme des roulements, des pièces d'avions et analogues. 15 On sait bien que la formation de ces inclusions est due à la présence d'oxygène dans le métal en fusion, mais, si le contrôle rigoureux de l'oxygène contenu dans le métal permet la production d'aciers de haute qualité par laminage de lingots, il ne permet pas d'obtenir en coulée continue des aciers ayant cette hau-20 te qualité. Ceci est dû au fait que, bien que, par comparaison avec la coulée discontinue, la coulée continue permette d'obtenir des billettes d'acier dans lesquelles les inclusions d'oxydes ont à l'origine des dimensions réduites, du fait que les lingots ont une section droite de surface relativement grande par rapport à celle des 25 billettes produites en coulée continue, ces lingots subissent une réduction de section bien plus importante au cours de leur laminage ultérieur. En conséquence, les inclusions d'oxydes contenues dans un lingot sont par la suite étirées et divisées et leur section droite se trouve réduite au point qu'elles peuvent finalement avoir 30 des dimensions bien plus faibles que dans un produit comparable obtenu en partant de billettes produites en coulée continue. Par exemple, un lingot de dimensions types ayant une section droite d'environ 38,5 dm réduit ensuite en barres carrées de 25 mm. subit une réduction de section égale à environ à 40 fois celle subie par 35 une billette produite en coulée continue et réduite par laminage aux mêmes dimensions. Ainsi, l'obtention dans une billette produite en coulée continue d'une faible teneur en oxygène comparable à celle qui 15702 2 2013162 permet d'obtenir des produits de haute qualité par laminage de lingots d'acier n'est pas suffisante pour la fabrication de produits en acier coulé ayant les caractéristiques des aciers normalement considérés comme de haute qualité. Malheureusement, la solution 5 évidente qui consisterait à-réduire encore plus la teneur en oxygène dans l'acier de départ paraît actuellement impossible à mettre en pratique. On est encore loin de pouvoir réaliser la condition idéale qui serait, pour les produits acier fabriqués par coulée continue ainsi que pour ceux fabriqués par laminage de lingots cou-10 lés, la réduction à zéro de la teneur en oxygène de l'acier de départ. Les procédés utilisés pour réduire la teneur en oxygène des aciers produits en coulée•continue comprennent les additions usuelles de produits chimiques dans le four de fusion et dans la 15 poche de coulée (additions de silicium et (ou) d'aluminium, par exemple, dans l'acier en fusion) et l'emploi de dispositifs empêchant le contact acier-air particulièrement dans les jets d'acier en fusion entre la poche et le creuset de coulée et entre celui-ci et le moule. Ces procédés sont fondés sur le principe que l'absence 20 de contact entre l'acier et l'air évite l'absorption par l'acier de l'oxygène de l'air, ce qui permet aux désoxydants chimiques couramment utilisés de réduire la teneur en oxygène de l'acier à une va-leut telle que les inclusions d'oxydes y soient ramenées à un minimum. 25 Bien que ces procédés aient permis d'obtenir une certaine amélioration, leurs résultats ne sont pas pleinement satisfaisants et le problème de l'inhibition de la formation en quantités substantielles d'inclusions d'oxydes de fortes dimensions demeure posé. La présente invention concerne un procédé et un appareil-30 lage pour la coulée continue de l'acier, procédé dans lequel la formation d'oxydes due à la présence inévitable de l'oxygène en solution est dans l'acier, contrôlée de façon que ces inclusions d*o-xydes soient rares, parfaitement dispersés-et de petites dimensions. Ce procédé comporte l'emploi d'un creuset de coulée dans 35 lequel est versé l'acier en fusion contenu dans une poche de coulée appropriée, et qui déverse ce métal sous forme d'un ou de plusieurs jets dans un ou plusieurs moules classiques de coulée continue. La désoxydation par voie chimique de l'acier est effectuée par des 69 15702 3 2013162 additions dans la poche de coulée, et les oxydes qui se forment dans le creuset de coulée par suite de cette désoxydation chimique aussi "bien que ceux provenant directement de la poche de coulée se séparent de la masse du métal sous forme d'un laitier flottant dans 5 le creuset de coulée en surface du métal en fusion. Le jet de métal en fusion s'écoulant du creuset dans chacun des moules est protégé par une enveloppe gazeuse de façon à : (a) empêcher l'introduction d'oxygène gazeux dans le métal, (b) extraire de ce jet de métal l'oxygène et les oxydes 10 qu'il contient, (c) inhiber la formation d'oxydes dans ce jet et réduire ainsi cette formation d'oxydes à celle inévitable due au refroidissement du métal dans le moule. Il a été observé que si les conditions ci-dessus sont 15 remplies, les inclusions d'oxydes en coulée continue de l'acier ont pratiquement toutes une grosseur inférieure à 20jx et sont rares et parfaitement dispersées, ce qui a pour résultat d'améliorer notablement la qualité des aciers produits. Plus particulièrement, ces conditions sont remplies dans 20 le procédé de l'invention en entourant le jet de métal fondu s1écoulant du creuset dans le moule d'un manchon poreux dans lequel de l'argon de haute pureté est introduit sous une pression suffisante pour provoquer un débit de fuite continu de ce gaz balayant constamment l'atmosphère inerte entourant le jet de métal et éliminant 25 ainsi continûment l'oxygène, l'oxyde de carbone et les composés gazeux contenant de l'oxygène contenus dans cette atmosphère inerte, ce qui a pour effet de maintenir constamment cette atmosphère dans des conditions favorisant la diffusion dans sa masse de l'oxygène et des produits gazeux qui en contiennent. 30 Bien que le mécanisme exact par lequel ces résultats sont obtenus dans le procédé de l'invention ne soit pas encore parfaitement connu, il est à penser que ce mécanisme comporte la diffusion dans l'atmosphère inerte de l'oxygène en solution dans le jet d'acier en fusion, la réduction des oxydes déjà formés et la formation 35 concomitante d'oxyde de carbone qui diffuse dans l'atmosphère iner- • _te, ces diffusions, et celles d'autres gaz qui peuvent être présents dans l'acier, inhibant la formation des oxydes et la réduisant à celle qui se produit au refroidissement et à la solidification du 15702 4 2013162 métal dans les moules. D.1.autre part , ce refroidissement et cette solidification s'effectuent plus rapidement, et on peut penser que ce sont là les causes de la formation presque exclusive d'inclusions d'oxydes du type mentionné plus haut, c'est-à-dire de petites 5 dimensions, rares et largement distantes les unes des autres. la Demanderesse a observé que les inclusions d'oxydes volumineuses qui dégradent la qualité de l'acier en coulée continue peuvent être largement éliminées non pas tant par la réduction de la teneur en oxygène de l'acier lui-même, mais principalement, et 10 cette considération est importante, en maintenant le ou les jets de métal en fusion s'écoulant du creuset dans le ou les moules en contact avec une atmosphère qui non seulement empêche le contact de l'acier avec l'oxygène de l'a^r mais, qui de plus susceptible est d'extraire l'oxygène et les gaz contenant de l'oxygène présents 15 dans le métal de ces jets. De préférence, cette désoxydation et cette extraction de l'oxygène dans le jet de métal s'écoulant entre le creuset et le moule est obtenue selon le procédé de l'invention en enfermant ce jet dans une atmosphère d'argon de haute pureté, cette atmosphère 20 étant constamment renouvelée de façon que, à tout moment, la pression propre dans cette atmosphère d'argon de l'oxygène et des gaz contenant de l'oxygène soit pratiquement nulle. Dans ces conditions, les oxydes qui se forment dans l'acier au cours de sa solidification, et qui sont dus aux précipitations d'oxygène qui se produi-25 sent au cours du refroidissement et de la solidification de l'acier, se présentent sous la forme d'inclusions d'oxydes rares, largement dispersées et dont les dimensions sont trop faibles pour affecter la qualité de l'acier produit. Il est important de noter que si, dans le procédé de 30 l'invention, il y a intérêt à maintenir la teneur de l'acier en oxygène au-dessous de 100 p;p.m., cette teneur se situe dans les limites normales en coulée continue de 1',acier. A titre d'exemple, les aciers produits en coulée continue classique ont une teneur en oxygène se situant entre 60 et 160 p.pja 35 et contiennent un grand nombre d'inclusions d'oxydes volumineuses et dégradant la qualité des aciers ainsi fabriqués, alors que le procédé de l'invention permet d'obtenir en coulée continue des aciers dont la teneur en oxygène n'est que légèrement inférieure 69 15702 5 2013162 (entre 40 et 90 p0p.m. par exemple) mais qui ne contiennent pratiquement pas d'inclusions d'oxydes volumineuses, les seules inclusions présentes étant rares, largement dispersées et d'une grosseur inférieure à 20ju environ. 5 La description qui va suivre et le dessin annexé donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs feront mieux comprendre comment la présente invention peut être réalisée. Sur le dessin annexé : - la figure 1 est une coupe verticale faite dans un appa-10 reil permettant la mise en oeuvre du procédé de coulée continue de l'acier conforme à l'invention; - la figure 2 est une coupe verticale dessinée à plus grande échelle et faite suivant l'axe du manchon qui entoure le jet de métal s'écoulant du creuset dans un moule; 15 - la figure 3 est une coupe faite suivant le plan 3-3 de la figure 2, dessinée à une échelle plus petite et montrant le registre permettant d'interrompre le jet de métal en fusion; et - la figure 4 est une coupe transversale faite suivant le plan 4-4 de la figure 3 et dessinée à plus grande échelle. 20 Sur la figure 1, la référence 10 désigne une poche de coulée dont seule la partie inférieure est représentée et qui contient une charge d'acier en fusion 12 en provenance d'un four d'élaboration. Le fond de cette poche est-percé d'un trou de coulée approprié 14, et un tampon de coulée de type courant (non représenté) 25 monté sur■1'extrémité d'une tige d$ manoeuvre permet de régler le débit d'acier en fusion tombant de la poche dans un creuset de coulée 16 placé dessous. Le fond de ce creuset est percé de deux trous de coulée 18 et 20 par lesquels le métal en fusion s'écoule dans deux moules 22 et 24 ouverts aux deux extrémités et animés d'un 30 mouvement alternatif. Ces moules 22 et 24 sont de construction parfaitement classique, semblables à ceux normalement utilisés en coulée continue à l'échelle industrielle et sont animés par un mécanisme (non représenté) du type habituellement utilisé à cet effet d'un mouvement vertical alternatif leur faisant d'abord suivre le 35 déplacement des billettes 26 et 28 qui se forment, puis les faisant remonter en abandonnant la billette qui vient d'être coulée. Ainsi qu'on le voit plus clairement sur la figure 2, la paroi de fond 30 du creuset de coulée porte au-dessous de chacun 69 15702 6 2013162 de ses trous de coulée 18 et 20 un. registre désigné dans son ensemble par la référence 32, et un collier 36 repose sur la face supé=* rieure 34 de chacun des moules 22 et 24. Un collier supérieur 38 s'applique contre la face inférieure de chacun des registres 32, 5 les deux colliers 36 et 38 formant respectivement des collerettes d'appui 40 et 41 et étant constamment repoussés dans le sens qui les éloigne l'un de l'autre par un ressort de compression 42 logé entre leurs collerettes respectives, et des joints d'étanchéité 43 et 44 logés dans des gorges prévues à cet effet dans ces colliers 10 assurent, sous la pression exercée par le ressort 42, l'étanchéité nécessaire au droit des surfaces d'appui de ces colliers. Chacun des ressorts 42 entoure un manchon poreux 45 dont les deux extrémités sont respectivement fixées sur les colliers 38 et 36 par des frettes appropriées 46 et 47, étant entendu que la 15 longueur des manchons 45 est suffisante pour qu'ils demeurent en place lorsque les moules 22 et 24 s'éloignent au maximum du creuset 16. Chaque registre 32 comporte, ainsi qu'on le voii» plus clairement sur les figures 3 et 4, un cadre 50 porteur sur sa face 20 supérieure d'une rainure 52 dans laquelle se déplace une plaque obturatrice 54. Ce cadre 50 peut être de forme circulaire et porter en son centre tuae ouverture 58 de section relativement grande venant se placer sous le trou de coulée 18 du creuset, la plaque obturatrice 54 pouvant être déplacée entre une position pour laquelle elle 25 obture ce trou de coulée 18 et une position pour laquelle elle le découvre. Ainsi qu'on le voit sur la figure 4* la plaque 54 porte une plaque en graphite 60 rapportée et qui s'applique contre la face extérieure de la paroi de fond du creuset de coulée, cette plaque de graphite empêchant la plaque obturatrice 54 de se souder 30 au creuset lorsqu'elle obture le trou de coulée de celui-ci. Chacun des colliers 36 comporte un dispositif d'entrée d'un gaz inerte qui peut, ainsi qu'on le voit sur la figure 2, comprendre un tube 62 maintenu par des écrous 64 et se terminant par un tube transversal 66 fermé sur ses deux extrémités 68 et 70 et 35 percé latéralement d'orifices 72 par lesquels le gaz inerte est introduit dans la chambre 74 formée intérieurement par le manchon poreux 45. Chacun de ces manchons 45 est fait en une matière appropriée, en ti§su d'amiante par exemple, suffisamment réfractaire 69 15702 7 2013162 pour supporter la température à laquelle elle est soumise mais ayant toutefois la porosité nécessaire pour que le gaz inerte puisse fuir en la traversant. Evidemment, chacun des manchons 45 doit être flexible pour pouvoir suivre les mouvements alternatifs des 5 moules 22 et 24. Le gaz inerte, de préférence de l'argon de haute pureté, est introduit dans la chambre 74 sous une pression suffisante pour permettre à ce gaz de s'échapper à une vitesse suffisante de ladite chambre 74 suffisante pour la balayer effectivement et assurer un 10 renouvellement de son atmosphère inerte suffisant pour maintenir cette atmosphère pratiquement exempte d'oxygène libre et de gaz contenant de l'oxygène en vue de faciliter la désoxydation du jet de métal 76 s'écoulant du creuset dans le moule. De préférence, la fuite du gaz inerte hors de la chambre 74 doit être de l'ordre de 15 665 litres par minute pour la coulée de billettes carrées 26 et 28 de 100 mm de côté (soit de l'ordre de 1.350 litres par tonne d'à-cier) et, normalement, une pression relative de 105 g/cm de ce gaz dans chacune des chambres 74 est suffisante pour provoquer ce débit de fuite. Un régulateur de pression approprié et un manomètre (non 20 représentés) permettent à l'ouvrier chargé de la coulée de régler ce débit de fuite. Le creuset de coulée 16 est de construction entièrement classique, sauf qu'il comporte deux cloisons transversales 80 et 82 partant de sa paroi de fond et s'étendant de l'un de ses côtés à 25 l'autre. Ces cloisons sont placées de façon à recevoir entre elles le jet de métal 84 s*écoulant de la poche dans le creuset et a forcer ce métal à remonter vers la surface 86 du métal contenu dans le creuset avant d'en sortir d'un mouvement descendant par des trous de coulée 18 et 20. Le niveau 86 du métal contenu dans le creuset ' • 30 est évidemment maintenu au-dessus du bord supérieur de ces cloison?, et il peut être prévu un dispositif (non représenté) réglant automatiquement le débit du métal s1écoulant de la poche dans le creuset de façon à maintenir sur la paroi de fond de celui-ci une charge hydrostatique constante prédéterminée. 35 La présence des cloisons 80 et 82 accroît l'effet sépa rateur naturel du creuset en aidant la remontée des inclusions d'oxydes contenues dans l'acier en fusion en direction de la surface 86 du bain sur laquelle elles demeurent à l'état de laitier 69 15702 8 2013162 et ne sont par conséquent pas entraînées dans les moules. Le désoxydant ajouté dans la poche de coulée est le calcium, le silicium ou un mélange des deux, et est de préférence utilisé à raison de 2,250 kg par tonne de métal, ce qui est suffisant 5 pour que la teneur en oxygène du métal contenu dans le creuset soit comprise entre 70 et 190 p.p.m. environ. La présence des cloisons 80 et 82 favorise la remontée en surface des oxydes formés par le désoxydant, ces oxydes demeurant sur la surface 86 du bain de métal sous forme de laitier, de sorte que les risques d'entraînement de 10 ce laitier dans les moules sont réduits à un minimum. A titre d'exemple, pour la coulée de billettes carrées 26 et 28 de 100 mm de côté, la profondeur du creuset de coulée peut être de 430 mm environ et le diamètre des trous de coulée 18 et 20 de 17,5 mm. Les jets 76 de métal en fusion s'écoulant du creuset dans les moules 15 peuvent avoir 380 mm de longueur environ, la durée d'une coulée de 22 tonnes étant dans ces conditions d'environ 45 minutes. Ces conditions étant remplies, et l'argon utilisé étant de haute pureté et provenant d'une source appropriée sous une près- p sion relative d'environ 105 g/cm et au débit de 1.350 litres en-2Q viron par tonne d'acier, l'acier obtenu se caractérise par une absence constante et presque totale d'inclusions d'oxydes d'une grosseur supérieure à 20 environ. Les inclusions non métalliques présentes dans l'acier ainsi produit y sont en majeure partie sous la forme d'inclusions d'oxydes de manganèse, de silicium, d'alumi-25 nium et de calcium, extrêmement fines, rares et parfaitement dispersées. Cinq coulées d'essai d'acier AISI C-1050 d'environ 22 tonnes chacune ont été effectuées, et, pour chacune de ces coulées, la moitié des billettes a été coulée selon le procédé de l'inven-30 tion, c'est-à-dire avec protection et désoxydation du jet de métal entre le creuset de coulée et le moule, la coulée des autres billettes ayant été effectuée simultanément et à partir du même creuset, avec contact du jet de coulée et de l'air ambiant. Une comparaison de ces essais mettant en évidence les réductions en pourcentage.. 35 entre les billettes de référence et les billettes coulées selon l'invention a donné les résultats ci-après : 69 15702 9 2013162 Réductions en pourcentages sur la teneur moyenne en oxygène à l'analyse 33 % sur le nombre moyen des inclusions d'oxyde 74- % ^ sur le nombre moyen des inclusions d'oxyde 78 % Il ressort nettement de ces chiffres que la réduction de la teneur en oxygène dans les billettes coulées n'est pas le facteur le plus important en ce qui concerne le résultat cherché, puisque la réduction du nombre et de la grosseur des inclusions 10 d'oxydes est bien supérieure à celle de la réduction de la teneur en oxygène. D'autre part, et ainsi qu'il a été indiqué plus haut, la teneur initiale en oxygène des aciers coulés selon le procédé de l'invention s'inscrit dans les limites de la teneur initiale en oxygène des aciers coulés par des procédés classiques, la première 15 étant d'environ 40 à 90 p.p.m. et la deuxième d'environ 60 à 160 p.p;m. La présence dans les aciers coulés selon l'invention d'inclusions d'oxydes pratiquement toutes extrêmement fines (d'une grosseur inférieure à 20 jji ) rares et en dispersion parfaite est donc 20 plutôt due en majeure partie à la combinaison de la protection et de la désoxydation du jet de métal entre le creuset de coulée et le moule. Des essais effectués avec établissement d'une atmosphère de protection autour de ce jet de métal, mais sans qu'une désoxydation soit effectuée sur ce jet, bien qu'ayant permis une certaine réduc-25 tion des inclusions d'oxydes par comparaison avec les coulées effeo-tuées sans atmosphère protectrice, n'ont pas donné des résultats comparables à ceux obtenus dans l'application du procédé de l'invention. En l'absence d'une désoxydation du jet de coulée, l'emploi d'une atmosphère simplement protectrice ne permet d'obtenir que le 30 sixième ou le tiers environ des résultats obtenus par le procédé de l'invention en ce qui concerne la réduction du nombre et de la grosseur des inclusions d'oxydes. Il ressort clairement de l'exposé précédent que le procédé de l'invention permet d'effectuer simultanément la protection 35 et la désoxydation du jet de métal en fusion s'écoulant du creuset dans les moules en entourant ce jet d'une atmosphère inerte et en assurant un renouvellement continuel de cette atmosphère suffisant pour obtenir la désoxydation désirée de ce jet de métal. Ainsi 69 15702 10 2013162 qu'il a été indiqué plus haut, il est à penser que le renouvellement constant de cette atmosphère inerte favorise dans celle-ci une diffusion de l'oxygène et des gaz contenant de l'oxygène contenu dans le jet de coulée suffisante pour limiter dans l'acier la 5 formation d'oxydes à celle produite par le refroidissement et la solidification du métal dans les moules, ces inclusions étant de ce fait très petites, rares et parfaitement dispersées dans le métal. En particulier, il apparaît qu'une atmosphère inerte dans laquelle les pressions propres de l'oxygène et de l'oxyde de carbone 10 sont pratiquement nulles et qui est renouvelée de façon que ces pressions propres demeurent telles, favorise une désoxydation de l'acier telle que les résultats désirés sont obtenus. L'atmosphère d'argon mentionnée dans l'exposé ci-dessus peut d'ailleurs être remplacée par d'autres atmosphères inertes d'autres natures. 15 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 69 15702 n 2013162 REVENDICATIONS 1- Procédé de coulée continue permettant d'obtenir des aciers de haute qualité, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il 5 permet de réduire au-dessous de 20 j\ environ la grosseur des inclusions d'oxyde contenues dans l'acier, et comportant les opérations suivantes: alimentation en acier fondu d'un, creuset de coulée de façon à maintenir dans celui-ci le bain de métal qu'il contient à un niveau constant; écoulement simultané dans un moule de coulée 10 continue du métal en fusion contenu dans le creuset; protection de ce jet de métal en fusion s'écoulant du creuset dans le moule contre toute absorption d'oxygène à l'aide d'une atmosphère inerte entourant ce jet; et renouvellement continu de cette atmosphère inerte à un débit suffisant pour assurer continuement la désoxyda- 15 tion dudit jet de métal. 2- Procédé selon la revendication 1 dans lequél la désoxydation du métal du jet de coulée entre le creuset et le moule est effectuée par une alimentation "et une fuite simultanées de cette atmosphère à raison environ de 1.350 litres par tonne de métal coulé 20 3- Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite atmosphère inerte est une atmosphère d'argon. 4- Procédé selon revendication 1 dans lequel la désoxydation est effectuée en enfermant le jet de métal en fusion s'écoulant du creuset dans le moule * dans une chambre dans laquelle est 25 introduit un gaz inerte dans lequel les pressions propres de l'oxygène et de l'oxyde de carbone sont pratiquement nulles, cette atmosphère étant constamment renouvelée de façon que ces pressions propres demeurent constamment pratiquement nulles dans ladite chambre. 5- Procédé selon revendication 1 ou 4 et comportant en 30 outre l'opération consistant à faire remonter le métal arrivant dans le creuset en surface du bain de métal contenu dans ce creuset avant qu'il ne s'écoule hors de celui-ci. 6- Procédé selon revendication 1 et comportant en outre l'opération consistant à ajouter un agent désoxydant à la charge 35 d'acier en fusion en quantité suffisante pour assurer que la teneur en oxygène de l'acier en fusion contenu dans le creuset ne soit pas supérieure à 190 p.p.m. environ. 7- Procédé selon revendication 6 dans lequel la désoxydation de l'acier est suffisamment poussés pour que la teneur en oxy- 40 gène de l'acier en solidification dans le moule soit comprise entre 40 et 90 p.p.m. environ.