Brevet FR2015716A1 — publié le 19700430

La présente invention concerne d'une façon générale, le traitement des métaux et plus particulièrement un procédé perfectionné d'affinage de l'acier par refonte en lingotière refroidie, au moyen d'un arc à plasme. La refonte classique en lingotière refroidie, au moyen d'un arc à plasma, décrite dans le brevet des Etats-Unis nO 3 147 330 améliore la pureté des métaux et des alliages mais 'a que peu d'effet sur les compositions chimiques des métaux et alliages sauf en ce qui concerne la diminution de leur teneur en oxygène. L'invention vise principalement à fournir un procédé perfectionné de refonte en lingotière refroidie, au moyen d'un arc à plasma, dans lequel le métal refondu est affiné chimiquement, en plus de la diminution de sa teneur en oxygène, lorsqu'il est refondu par le procédé de l'arc à plasma. Suivant l'invention on réalise un procédé de refonte d'un métal caractérisé en ce qu'on soutient une barre de métal au dessus d'une lingotière, on chauffe l'extrémité inférieure de ladite barre par radiation et convection au moyen d'un arc à plasma jusqu'à ce qu'elle fonde et que des gouttelettes de métal tombent dans un bain de métal fondu dans ladite lingotière et l'on ajoute un fondant en particules au métal dans ledit bain, le fondant ayant une composition facilitant la desulfurAtion. D'autre caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel la Fig. unique est une vue en élévation et en coupe partielle montrant schématiquement un appareil qui peut-être utilisé dans ce procédé. En se reportant au dessin un four 2 à lingotière froide pour la refonte au moyen d'un arc à plasma comprend une chambre 4 de four refroidie par l'eau. Le fond de la lingotière 6 est obturé par une tête de coulée 8. Un ou plusieurs chalumeaux 10 à plasma sont disposés dans la partie supérieure de la chambre 4, leurs extrémités inférieures étant dirigées vers un bain de métal fondu 16 dans la lingotière et chacun de ces chalumeaux comprend une buse étranglée contenant une cathode qui peut-être en tungstène ou matériau similaire. Une barre 12 du métal à refondre est suspendue à la partie supérieure de la chambre 4 dans un mécanisme grâce auquel elle peut-8tre avancée pas à pas vers la lingotière au fur et à mesure qu'elle est fondue par la chaleur de l'arc à plasma. Dans le procédé de refonte, on utilise la technique de déplacement d'un arc dans laquelle un are 14 frappe le métal fondu contenu dans la lingotière, ce métal étant au préalable fondu au moyen du chalumeau à plasma 10. Le bain 16 de métal fondu sert alors comme anode. On envoie un gaz à travers la buse, dans la surface annulaire autour de l'arc et ce gaz est elevé à une haute température. La température du gaz, qui peut atteindre 10000 à 20 0000 K dépend de la dimension de la buse, de l'intensité et du débit de gaz. La température élevée provoque l'ionisation du gaz et la formation de plasma. On peut employer ntimporte quel gaz qui n'attaque pas la cathode comme par exemple l'argon l'hélium, l'azote ou l'hydrogène. Pour la refonte des métaux, on emploie habituellement l'argon. Que l'on emploie un ou plusieurs chalumeaux, le métal est refondu dans une atmosphère inerte. Le gaz inerte protège le mb- tal de l'oxydation. Pendant la refonte, les inclusions d'oxydes tendent à se séparer du métal, Pendant la refonte, après amorçage de l'arc, la barre 12 est amenée vers le bain 16. Le bain 16 est retenu sur ses c8tés au moyen d'un ensemble 6 de lingotière à re froiddissement par circulation d'eau, cet ensemble est ouvert à ses deux extrémités et sert comme dispositif de coulée. La barre 12 est chauffée par radiation et convection et fond et le métal fondu résultant s'écoule en gouttes dans le bains, le fond de ce bain étant soutenu au moyen de la tête de coulée 8.Un produit solidifié 18 formé à partir du bain 16 de métal fondu est retiré à travers une chambre 20 de refroidissement contenant un gaz inerte tel que l'argon, avec une vitesse dépendantde la vitesse de fusion. Le procédé de refonte en lingotière refroidie, au moyen d'un arc à plasma, décrit ci-dessus est analogue au procédé décrit au brevet des Etats-Unis précité. Au moyen du procédé classique décrit ci-dessus, la teneur en oxygène du produit diminue et la pureté du produit augmente. La composition chimique, sauf pour l'oxygène ne change pas ou presque pas. Toutefois, pour certaines qualités d'aciers, la teneur en soufre et en oxygène doit Etre abaissée ce qui améliore les proprietes physiques telles que la résistance a l'effet d'entaille. Suivant l'invention, la désulfuration est obtenue en utilisant un fondant 22 en particules qui est de préférence rajouté dans le four quand le bain 16 de métal fondu est établi. Quand la barre 12 fond et que les gouttelettes s'écoulent dans le fondant fondu 24 qui flotte sur la partie supérieure du bain 16 de métal fondu5 le soufre est transféré du métal fondu au fondant 24. On envoie le fondant 22 dans le four à partir d'une trémie 26, par l'intermédiaire d'une chambre 28 à vibrations et d'une gouttière 30 qui est dirigée vers l'ensemble 6 de lingotière. On peut faire vibrer la chambre 28 au moyen d'un vibrateur pneumatique 32. Suivant le procédé selon l'invention, le transfert du soufre du métal fondu au fondant fondu est grandement facilité du fait du bas potentiel de l'oxygène et de la haute température du four à arc à plasma. Néanmoins, le fondant doit avoir une composition qui favorise la désulfuration, c'est-à-dire qu'il doit être basique par nature, avoir un point de fusion relativement bas et être très fluide. Deux fondants tels que Ca F2 - CaO - Al203 et Ca F2 - Ca O - Si 02 répondent à ces conditions. Un fondant plus simple tel que Ca F2 -Ca 0 convient aussi. On peut ajouter le fondant dans le four de façon intermittente ou continue et on préfère des techniquegfiui permettent/4n fa ? ant renouvelé pour les gouttes de métal.En renouvelant le fondant, la vaporisation de Ca F2 et la perte de fondant par infiltration entre le produit et la lingotière sont réduites. Les exemples suivants illustrent le chauffage d'acier, refondu avec addition de fondant dans un four de refonte à lingotière refroidie, au moyen d'un arc à plasma, tel que représenté au dessin. Exemple 1 On met dans la lingotière 6 un fondant préalablement fondu comprenant 70% de Ca F2, 15 % Ca O et 15% Al2 O sur la surface su 3 périeure de la tête de coulée. On utilise deux chalumeaux avec coulement d'argon dont le débit est de 0,3 m3/mn chacun des chalumeaux fonctionnant sous une tension de 40 V et une intensité de 600 A. Une barre de métal à refondre (AISI 4340) est refondue en 22 1/2 minutes. La teneur en sourre du métal passe de 0007% dans la barre à 0,004% dans le produit refondu, tandis que la teneur en oxygène passe de 20 ppm (parties par million) dans la barre à refondre à 8 ppm dans le produit refondu. Exemple 2 : Un fondant analogue à celui dé l'exemple 1 est ajouté de façon intermittente au cours de la refonte d'un acier contenant 12% Ni, 5% Cr et 3% Mo. On utilise un seul chalumeau à plasma, sous une tension de 40 V et une intensité de 800 A. La durée de refonte est de 31 1/2 minutes.. La teneur en soufre de l'acier passe de 0,009% dans la barre de métal à refondre à 0,004% dans le produit refqndu et la teneur en oxygène passe de 14 ppm dans la barre à refondre à 7 ppm dans le produit fini. Exemple 3 Un fondant comprenant 60% Ca F2, 30% Ca O et 10% Au20) est ajouté par intermittences dans le four pendant qu'une barre à refondre d'acier (AISI 4340) est refondue. La teneur en soufre diminue, passant de 0,022% dans la barre à refondre à 0,008 % dans le produit refondu et la teneur en oxygène diminue passant de 36 ppm dans la barre à refondre à 13 ppm dans le produit refondu. La quantité de fondant utilisé dans les exemples ci-dessus est comprise entre 9 et 36 Kg par tonne d'acier. Dans la pratique la quantité de fondant utilisé est déterminée empiriquement suivant les besoins du produit. Dans un but de comparaison une barre d'acier à refondre (AISI 4340) a été refondue par le procédé de refonte en lingoti-ère froide au moyen d'un arc à plasma avec addition de fondant, et une barre du même acier a été refondue sans addition de fondant. Quand on utilise le fondant, la teneur en soufre est réduite passant de 0,022 % dans la barre à refondre à 0,008k dans le produit refondu et la teneur en oxygène a diminué, passant de 23 ppm dans la barre à refondre à 8 ppm dans le produit refondu. Lorsque l'autre barre d'acier (AISI 4340) a été refondue dans le four de refonte en lingotière froide au moyen d'un arc à plasma, sa teneur en soufre est pratiquement inchangée, passant de 0,021% dans la barre à 0,023 % dans le produit refondu tandis que sa teneur en oxygène diminue, passant de 20 ppm dans la barre à 7 ppm dans le produit refondu. Deux barres à refondre, d'un acier faiblement allié contenant 12% Ni, 5% Cr, 3% Mo ont été refondues par le procédé de refonte en lingotière froide au moyen d'un arc à plasma, l'une avec un fondant et l'autre sans fondant. Quand on emploie le fondant, la teneur en soufre diminue, passant de 0,009 dans la barre à 0,004% dans le produit refondu et la teneur en oxygène diminue passant de 13 ppm dans la barre à 7 ppm dans le produit refondu. Quand aucun fondant n'est utilisé, la teneur en soufre reste inchangée, de l'ordre de 0,009 et la teneur en oxygène diminue, passant de 15 ppm dans la barre à 9 ppm dans le produit refondu. Bien que le procédé suivant l'invention ait été décrit dans son application à une opération de refonte en lingotière refroidieet au moyen d'un arc à plasma, il est évident que ce procédé peut être utilisé pour effectuer une refonte au moyen d'un arc à plasma dans des fours à chemises réfractaires ou autres fours. On a démontré qu'en utilisant le procédé suivant l'invention dans lequel on ajoute un fondant pendant la refonte en lingotière froide au moyen d'un arc à plasma, la désulfuration peut se produire en même temps qu'une diminution de la teneur en oxygène. REVENDICA TIONS 1 - Procédé d'affinage d'un métal, caractérisé en ce qu'on soutient une barre de métal au-dessus d'une lingotière, on chauffe l'extrémité supérieure de ladite barre par radiation et convection au moyen dtun arc à plasma Jusqu'à ce qu'elle fonde et que des gouttelettes de métal fondu tombent dans un bain de métal fondu dans ladite lingotière et l'on ajoute un fondant de matériau en particules au métal dans ledit bain, le fondant ayant une composition permettant la désulfuration. 2 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le fondant est renouvelé durant la chute des gouttelettes de la barre par addition de nouveau fondant en continu ou par intermittence.