Brevet FR2015309A1 — publié le 19700424

î 2015309 l'invention concerne un procédé de fabrication d'acier dans lequel on améliore le processus de désoxydation de l'acier fondu. Dans la fabrication de l'acier, ainsi qu'il est bien connu, il est nécessaire de désozyder l'acier avant d'effectuer la coulée. 5 Généralement, on effectue ce traitement de désoxydation en ajoutant à l'acier fondu, dans la poche, un désoxydant approprié tel que l'aluminium, les alliages d'aluminium, le manganèse, le silicium, le calcium et le magnésium. Etant donné que la teneur en oxygène de l'acier fondu dépend généralement de la quantité du désoxydant, 10 il est usuel d'ajouter le désoxydant proportionnellement au poids de l'acier fondu® Mais avec cette méthode d'incorporation, on ne peut pas obtenir'le degré de désoxydation voulu ou "bien le degré de dé soxydation varie à chaque charge par suite de facteurs perturbateurs tel» que l'oxydation par l'atmosphère au moment de la cou-15 lée, l'oxydation par une scorie aoxydante ou l'oxydation causée par les scories qui adhèrent à la paroi intérieure de la pocher Ainsi, il est très difficile de régler le degré d'oxydation® la outre, il est difficile aussi de régler l'addition du désoxydant et il en résulte finalement une inégalité dans le poids de désoxy-20 dant ajoutée four éliminer ce degré non uniforme de désoxydation, il est usuel de prélever dans la poche un petit échantillon de l'acier fondu, puis d'analyser rapidement l'échantillon pour déterminer la teneur en oxygène de l'acier fondu de manière à régler la quantité 25 de désoxydant à ajouter, ou de désoxyder préalablement au four pour stabiliser le rendement du désoxydant dans la poche. H est bien connu aussi d'ajouter les désoxydants dans la poche par la méthode dite du récipient© Ces procédés permettent de diminuer -dans une certaine mesure 30 le défaut d'uniformité dans le degré de désoxydation mais l'uniformité assurée dans le degré de désoxydation par ces méthodes statiques et indirectes est naturellement limitée car les facteurs perturbateurs indiqués plus haut sont difficiles à mesurer1, Ainsi, il 69 27351 2 2015303 est impossible d'améliorer fortement l'uniformité du degré de désoxydation « C'est pourquoi on a tenté de détecter directement le degré de désoxydation de l'acier fondu dans la poche de manière à ré-5 gler la quantité de désoxydant à ajouter d'après le degré de désoxydation détecté. Pour appliquer pratiquement cette mesure, on a proposé de disposer dans la poche une cellule de concentration d'oxygène, par exemple à éleetrolyte formé d'oxyde de zirconiu* stabilisé, pour déterminer le pourcentage d'oxygène dans l'acier 10 fondu® Toutefois, il est bien connu que le procédé de détermination de la teneur en oxygène de l'acier fondu d'après la valeur absolue de la force électromotrice de la cellule ci-dessua n'est pas précis et qu'il est difficile à appliquera En particulier, la mesure de la force électromotrice est extrêmement difficile dans 15 la gammé des faibles teneurs en oxygène lorsqu'on a effectué une désoxydation suffisante. Ainsi, il est tout-à-fait impossible de déterminer le degré de désoxydation d'après des valeurs mesurées. Pour cette raison, on n'a pas encore mis au point pratiquement un procédé appliquant le principe ci-dessus dans la fabrication de 20 l'acier. C'est pourquoi le but principal de l'invention est de fournir un procédé nouveau de fabrication d'acier qui permette de régler la quantité du désoxydant en fonction du degré de désoxydation de l'acier fondu ce qui permet de régler facilement la pro-25 portion d'oxygène dans l'acier fondu ainsi que le pourcentage de désoxydant dissous dans celui-ci, de Manière à obtenir un acier de haute qualité• l'invention préconise un procédé de fabrication d'acier caractérisé par le fait qu'on plonge une oellule de concentration 30 d'oxygène dans un bain d'acier fondu, qu'on détecte la valeur différentielle en fonction de la force électromotrice de la cellule du temps pendant qu'on ajoute un désoxydant au bain d'acier fondu et qu'on règle à une valeur définie et prédéterminée la quantité 69 27351 3 2015309 de désoxydant à ajouter au bain d'acier fondu, après que la valeur différentielle a atteint sa valeur Maximums Les avantages et les buts de l'invention ainsi que l'essentiel de son fonctionnement sont faciles à comprendre par la des-5 eription détaillée ci-après, considérée parallèlement aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 montre des courbes caractéristiques théoriques qui aident à expliquer le principe de l'invention j - la figure 2 représente schématiquement un appareil servant 10 à la aise en oeuvre de l'invention ; - la figure 3 est un schéma des composants essentiels de l'appareil de la figure 2 ï - la figure 4 montre une variante de l'appareil servant à la *ise en oeuvre de l'invention ; 15 - la figure 5 Montre des courbes caractéristiques obtenues par la aise en oeuvre de l'invention j - les figures 6a et 6b sont des diagrammes statitisques comparant les teneurs en aluMiniua. soluble d'aciers pauvres en carbone désoxydés à l'aluainiuM fabriqués respectivement par le procédé de 20 l'invention et par celui de la technique antérieure. l'invention est basée sur les considérations théoriques suivantes. Le calcul théorique concernant la variation de la force élec-troaotrice de la cellule de concentration d'oxygène ci-dessus est 25 le suivant. m ' Le bilan de matière lorsqu'on ajoute de l'aluminium à un débit constant pendant un temps t et en quantité définie est exprimé par l'équation _ "irt - » S (ï*1-!* - L^-JoH 52^26 ( Mo - L° Jî > \ ' 48 (1) 30 la relation d'équilibre entre 11 et 0 par ï -1>3* DO* (2) 69 27351 4 2015309 la relation entre 0 et la force électromotriee : ~±£. - a (Ii *£°;jt (J) /P57 relations dans lesquelles : m représente le débit d'addition d'il, t le temps d'addition d'il, i) est le rendement d'il [°1 est la teneur en oxygène de l'acier fondu avant 1'addition o 10 d'il ; 15 l'I la teneur en oxygène de l'acier fondu après un temps t d'addition d'il ; I 11 j la teneur en il de l'acier fondu avant l'addition d'il ] ~*o I>1 la teneur en 11 de l'acier fondu après un temps t d'addi-* tion d'il j Bfc la force électromotrice après un temps t^d'addition d'il ; 20 T1 la température de l'acier fondu en °C ; K' la «onstante d'équilibre j A&° l'énergie libre standard de l'oxygène dissous ; ï la constante de Faraday et n le nombre de charge. 25 II est entendu que l'on a fait ces calculs théoriques en uti lisant l'aluminium comme désoxydant, en supposant que l'acier fondu était un bain statique et en négligeant l'effet de l'oxydation par la paroi intérieure de la poche® En outre, ces calculs sont basés sur l'hypothèse que l'équilibre exprimé par l'équation 30 9» + 30 ■ > 11203 est exact, puisqu'on peut considérer la vit es-se de réaction comme très grande* linsi, en substituant les valeurs de m, q , ¥ » w » 69 27351 5 2015309 W. , EL et POg dans les équations (l), (2) et (3) respectivement, il est possible d'obtenir la relation entre la teneur en oxygène de l'acier fondu après un temps t d'addition d'il, £■41^ du bain d'acier, et la force électromotrice Bt de la cellu-5 de concentration d'.oxygène* Quand on substitue dans les équations (l), (2) et (3) les valeurs m = 1,06 kg/s, 4 * 100*, ¥ » 85 000 kg, fo] a 0,047*, rill « 0** EL » 1550®0, P0„ «. 0,21 atmosphère, e ■. © - • que l'on peut donner généralement, et que l'on représente graphiquement les résultats des calculs, on obtient les courbes de la figure 10 l'« On & porté en abscisses le temps t (secondes) et en ordonnées la teneur en oxygène roi «*. la teneur en aluminium I>1 1 attei gnent une valeur précise prédéterminée (dans l'exemple de calcul cfe- dessus, P>1 0,0016* et 0,0005*) « Des phénomène s similai— t - t 20 res se produisent quand on utilise des désoxydants autres que l'aluminium. Ainsi, il est évident que lorsque le temps d'addition d'il, donc la quantité d'addition d'il est limitée à une valeur prédéterminée en partant du point qui est la valeur différentielle maximale 25 de la force électromotrice dans la cellule de concentration d'oxygène,- il est possible d'ajuster facilement la teneur en il dissous à une valeur définie désirée et aussi de régler le taux de désoxydation à un degré défini désiréo ifin de régler la teneur en il dissous et le taux de désoxy-30 dation de l'acier fondu à une valeur désirée, il faut utiliser 69 27351 6 2015309 l'équation (4) ci-après, qui permet de calculer facilement le temps dE correspondant à la valeur différentielle mazimale, , jusqu'au moment de l'arrêt de l'addition d'il. il _ (f + t^. ¥ ! ([ai] ) + (HH - [ol ) î m L max 48 ^max L 4t ] w 5 dans cette équation, t' est le temps écoulé entre la valeur différentielle maximale et le moment d'arrêt de l'addition d'il la teneur en aluminium correspondant à la valeur différentielle maximale £oJma2 la teneur en oxygène correspondant à la valeur différentielle maximale, jÂlj , la teneur en Al au «raient d'arrêt 10 de l'addition d'Al, jo] , la teneur en oxygène au moment d'arrêt t de l'addition d'Al, ^ le rendement de l'Ai ajouté et t" le temps de retard® l'invention est caractérisée par le fait que l'on plonge dans l'aeier fondu une cellule de concentration d'oxygène, que lion 15 détecte la valeur différentielle de la force électromotrice dans la cellule lorsqu'on ajoute du désoxydant à l'acier fondu, et que l'on règle la quantité de désoxydant ajoutée à une valeur prédéterminée une fois que la valeur différentielle Maximale est atteinte** Pour faire mieux comprendre l'invention, on indique ci-après 20 des modes d*exécution# On se référera Maintenant aux figures 2 et 3 qui montrent un appareil servant à réaliser l'invention et comprenant une poche 2 dans laquelle de l'acier fondu 1 est soumis au traitement de désoxydation, l'acier fondu ayant subi un traitement préliminaire de désoxydation dans le foure Hne cellule de eoncen-25 tration d'oxygène 3, servant d'élément détecteur du taux de désoxydation, est plongée dans l'aeier fondu lfi Comme le montre la figure 3» la cellule de concentration d'oxygène 3 comprend une électrode négative 3a et une électrode positive 3b sous la forme d'un cylindre fermé au fond, formé d®un électrolyte, les électrodes 30 négative et positive étant disposées parallèlement avec un espacement prédéterminé, leurs extrémité s inférieures étant plongées 69 27351 7 2Q1530Q dans le bain d1acier fondu. Un gaz de refroidissement tel que de l'air est introduit dans l'électrode positive 3b. la force électromotrice de la cellule est amplifiée par un amplificateur de courant continu 4 puis différenciée par un circuit 5 différenciât eur 5 dont la sortie est enregistrée et affichée par A * un instrument enregistreur 6. Un dispositif en forme de récipient 7 sert à amener le désoxydant sous la forme de fil d'aluminium dans la poche 2, à un débit défini et en quantité constante (par exemple 0,008 kg/s). La mise en marche et l'arrêt du dispositif 10 d'alimentation 7 sont commandées par une Minuterie 8 qui arrête automatiquement le dispositif d'alimentation 7 après un temps déterminé donné par l'équation (4). L'appareil fonctionne comme suit x On prélève et on introduit dans la poche 2 de l'acier fondu 1 15 qui a été fabriqué dans un four et qui a subi ou non le traitement préliminaire de désoxydation, jusqu'à un niveau suffisant pour y plonger la cellule de concentration d'oxygène 3. Puis on met en marche le dispositif d'alimentation 7 pour ajouter le fil d'aluminium à l'acier fondu 1 à une vitesse prédéterminée et en quantité 20 constantei En même temps que l'on commence à amener le fil d'aluminium, on met en marche l'enregistreur indicateur 6 pour enregistrer et afficher la valeur différentielle de la force électromotrice de la cellule 3 en fonction du temps* Quand un laps de temps déterminé s'est écoulé après le dé but 25 de l'addition du fil d'aluminium, il se produit une variation rapide et importante dans la force électromotrice de la cellule 3« En réponse à cette variation, l'instrument 6 enregistre et indique le point caractéristique, c'est-à-dire la valeur différentielle maximale de la force électromotrice en fonction du temps. Une fois 30 qu'on a noté ce point particulier on met immédiateût en marche la minuterie 8. Ainsi, la minuterie arrête le fonctionnement du dispositif d'alimentation au bout du temps prédéterminé. Autrement dit, l'amenée du fil d'aluminium cesse quand il a été ajouté en 69 27351 8 2015309 quantité prédéterminée. On verse alors l'acier fondu dans une lin- gotière et on le refroidit pour obtenir des lingots de l'acier désoxydé à l'aluminium désiré, la figure 5 représente les valeurs mesurées de variation de dE 5 la valeur différentielle ^ de la force léectromotrioe dans la cellule d e concentration d'oxygène et la teneur en Al dissous dans le mode d'exécution ci-dessus» Pour déterminer la teneur en alumi-minium soluble, on analyse l'échantillon prélevé dans la poche au cours de l'addition de fil d'aluminium* le résultat de la mesure 10 indiqué par la figure 5 confirme qu'environ 45 secondes après le début de l'addition de fil d'aluminium, la valeur différentielle j«ia maximale ^ coïncide pratiquement avec le calcul théorique1* Un temps prédéterminé après ce point (environ 30 secondes) on met fin à l'incorporation du fil d'aluminium pour obtenir le degré désiré de 15 désoxydation# En outre, il est possible de porter la teneur en Al dissous au niveau désiré (0,035 M*)'i On fait la comparaison entre la dispersion de la teneur en Al dissous de l'acier pauvre en carbone désoxydé à l'aluminium obtenu dans un certain nombre de charges selon l'invention (composition î 20 G : 0,04-0,06*, Ma s 0,25-0,35*, P î 0,008-0,012 *, S : 0,015-0,Û2L£ • « » ' ' • » * » 0 m et cellecPun acier pauvre en carbone désoxydé à l'aluminium préparé par le procédé usuel dans lequel, juste avant la coulée, on analyse la teneur en oxygène de l'acier fondu pour ajuster la quantité d'aluminium ajoutée. Les figures 6a et 6b montrent le résultat dans 25 lequel les abscisses indiquent la teneur en Al dissous et les ordonnées, la fréquence en *, La figure 6a indique le résultat de c® procédé antérieur et la figure 6b celui de l'invention. Comme on le voit clairement par ces figures, le procédé de l'invention permet de diminuer la marge de dispersion de la teneur en Al dissous et 30 en outre, elle permet d'abaisser la valeur de pointe. Plus particulièrement, avec le procédé de la technique antérieuré, le nombre d'échantillons n était de 1432, la valeur de la ligne centrale x 69 27351 9 2015309 de 43» 9 z 10-3 ^ i» écart normal O était de 10,5 z 10"^ * tandis qu* avec le procédé de l'invention, "bien que le nombre d *échantillons n soit seulement de 60, la valeur de la ligne centrale z est de 35»60 z 10-3 e^j i»éeart normal & de 4»4 z 10"3, les lignes cen-5 traies étant indiquées en trait mirte sur les figures 6a et 6b» la figure 4 montre un appareil modifié servant à la mise en oeuvre de l'invention» Alors que dans le mode d'exécution précédent le fonctionnement de la minuterie 8 était amorcé manuellement, dans cette variante on a ajouté un relais 9 5 pour actionner la minuterie 10 lorsque l'instrument enregistreur 6 affiche ce point particulier# Ainsi selon l'invention, il est possible d'assurer un réglage poussé de la quantité de désoxydant ajoutée ainsi qu'une plus haute qualité de l'acier* SivL que, dans les modes d'exécution décrits ci-dessus, on 15 ajoute le désoxydant à l'acier fondu en quantité constante et à un débit défini, ce qui fait l'avantage d'un tel procédé, dans certains oas, dans la mesure où l'on peut régler la quantité avec précision, on peut utiliser d'autres dispositifs ne comportant pas de Minuterie# En outre, il est entendu que le désoxydant n'est pas limité au 20 fil d'aluminium *ais que l'on peut aussi utiliser divers autres désoxydants, comme on l'a déjà indiqué# D'autre part, la construction de la cellule de concentration d'ôzygène n'est pas limitée à ce que représente le dessin# Ainsi, elle peut être de n'importe quel type du moment qu'elle "peut produire une force électromotrice 25 en réponse auz variations de la teneur en oxygène de l'acier fondu# En bref, selon l'invention, la concentration en oxygène donne une valeur de force électromotrice et la valeur détectée sert comme facte ur de commande pour régler la quantité de désoxydant à ajouter* Ainsi, on peut assurer un réglage direct plus rapide et il est 30 possible de diminuer la durée de la fabrication de l'acier en comparaison du procédé antérieur dans lequel on effectue l'analyse pendant l'opération de fabrication de l'acier pour déterminer la quantité de désoxydant à ajouter. En. outre, il devient possible 69 27351 10 201530° d'effectuer des réglages efficaces pour des facteurs perturbateurs qui, antérieurement, étaient impossibles à mesurer. Ainsi, il est possible d'empêcher pratiquement le défaut d'uniformité dans le taux de désoxydation et dans la teneur en désoxydant, de manière à 5 assurer une désoxydation suffisante comme désirée à maintenir la teneur en désoxydant dans une gamme définie, faible et restreinte» L'acier pauvre en carbone désoxydé à l'aluminium que l'on obtient selon l'invention peut servir à l'emboutissage. On a représenté et décrit l'invention à propos de modes d'exé-10 eution préférentiels mais l'homme de l'art concevra de nombreuses modifications qui restent comprises dans l'invention. 69 27351 il 2015309 gSVMJICATIOHS l) Procédé de fabrication, d'acier caractérisé par le fait qu* on plonge une cellule de concentration d'oxygène dans un "bain d'acier fondu, qu'on détecte la valeur différentielle en fonction 5 du temps de la force électromotrice de la cellule pendant qu'on ajoute un désoxydant au bain d'acier fondu et qu'on règle à une valeur définie et prédéterminée la quantité de désoxydant à ajouter au bain d'acier fondu, après que la valeur différentielle a atteint sa valeur maximum « 10 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la "quantité de désoxydant à ajouter est prédéterminée par une minuterie* 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la minuterie est mise en action par un instrument de mesure 15 obéissant à la valeur différentielle maximale de la force électromotrice*