Brevet FR2075921A1 — publié le 19711015

i 2075921 La présente invention concerne un procédé pour commander la décarburation sous vide d'un métal en fusion en utilisant une pression basse (inférieure à la pression atmosphérique) et un mélange de= gaz oxydants et/ou inertes en minimisant l'oxydation du métal. 5 L'expression ''décarburation sous vide" concerne les systèmes de décarburation utilisant une pression inférieure à la pression atmosphérique. L'utilisation d'une basse pression pour favoriser la décarburation de l'acier et de ses alliages est bien connue (voir, par exemple, le brevet des E,U,A. n° 3.249 délivré le 29 Décembre 1868). De plus, suivant le brevet des E.U.A. 10 n° 2.040.566, un acier allié peut être décarburé sous vide sans oxydation des éléments métalliques. Cependant, malgré ces techniques, la dècarburation sous vide n'est pas devenue un procédé commercial pour la décarburation des aciers. Il peut être estimé que l'absence d'un procédé convenable pour commander la réaction a empêché l'exploitation commerciale des procédés de 15 dècarburation sous vide. L'apparition récente de systèmes électeurs de vapeur d'eau d'une grande capacité a permis d'obtenir des systèmes de pompes à vide économiques convenables pour l'élaboration de l'acier. L'entière utilisation de ces systèmes et l'établissement d'un procédé commercial de décarburation sous 20 vide dépendent cb développement d'un système de commande sûr permettant de minimiser l'oxydation des métaux pendant le traitement. La demande de brevet des E.U.A. n° 771.752 du 30 Octobre 1968 décrit un "procédé pour commander la décarburation en minimisant l'oxydation des métaux. L'invention a pour objet un procédé pour la commande dynamique 25 de la décarburation sous vide de l'acier. ■ ' L'invention concerne ainsi un procédé pour décarburer sous vide un métal en fusion tel que de l'acier dans un récipient, dans lequel une matière oxydante est introduite de façon à éviter l'oxydation de certains métaux contenus dans le bain, le procédé comportant les étapes suivantes : 30 1. la mesure de la composition et du débit des gaz envoyés dans le récipient fermé ; 2. la mesure de la composition et du débit des gaz échappant du récipient et la détermination de la vitesse désirée d'extraction du carbone de l'acier ; 3. la détermination de la pression ambiante désirée dans le récipient j 35 4. la mesure de la pression réelle dans le récipient fermé et le réglage des compositions et des débits des gaz à l'entrée et à la sortie pour maintenir dans le récipient une pression réelle au moins égple à la pression désirée dans le récipient. 70 46098 2 2075921 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure unique est le schéma général d'un appareil selon 5 un mode de mise en oeuvre de 1'invention. Un problème important pour tous les systèmes de décarburation est celui d'éviter l'oxydation d'éléments métalliques tels que le chrome et le fer. L'oxydation des éléments métalliques a deux conséquences. La première et, probablement; la plus évidente est la perte du point de vue 10 économique de métaux devant être récupérés. -Le second problème concerne le contrôle global du traitement. Pendant la décarburation sous vide, une oxydation précoce de la masse en fusion conduit à la formation d'écume ou de laitier d'oxydes pouvant -ensuite se combiner d'une façon incontrôlée avec le carbone de la masse en fusion, avec des éruptions non contrôlées. Un réglage 15 étroit des réactions pendant qu'elles ont lieu est nécessaire pour minimiser ces difficultés, et ce contrôle étroit est obtenu par le procédé selon l'invention. Le but principal de l'invention est dé commander l'oxydation du carbone de la masse en fusion pendant un traitement sous vide. La réaction est commandée de façon qu'une formation excessive d'oxydes facilement 20 réductibles, tels que des oxydes de-fer et de chrome, n'ait pas lieu pendant le processus de décarburation. Le brevet des E.U.A; n° 3.420.657 indique que de l'oxygène ou d'autres oxydants peuvent être ajoutés à la masse en fusion sous une pression calculée d'après des considératioîîs thermodynamiques. Il indique aussi que l'addition d'oxygène ou d'oxydants est iriterïompue quand la 25 pression augmente brusquement dans le récipient. Ces caractéristiques supposent que, lorsque les considérations thermodynamiques sont atteintes, les réactions désirées continuent et qu'il n'est plus'nécessaire dé tenir compte de considérations thermodynamiques. 11 a été constaté conformément à l'invention que ces conditions sont une erreur et qu'un contrôle continu 30 du traitement doit être effectué et que les réactions doivent être commandées, faute de quoi il se produit une oxydation indésirable de certains éléments métalliques dans le bain. L'invent-ion qui- implique le contrôle du débit d'oxygène (ou d'introduction d'oxydants) de la composition et de la pression des gaz échappant du système permet une commande plus directe et plus complète 35 du processus de décarburation et peut être utilisé pour éviter l'oxydation des éléments métalliques du bain. 70 46098 3 2075921 Ainsi qu'il est connu, quand de l'oxygène, des oxydants gazeux ou même des oxydants solides sont ajoutés à une masse en fusion contenant du carbone, les oxydants peuvent réagir avec le carbone de la masse en fusion pour former des produits de réaction gazeux, telsque de l'oxyde de carbone 5 et de l'anhydride carbonique, ou bien agir avec d'autres éléments de la masse en fusion tels que le manganèse, le fer, le phosphore, le silicium, le chrome, le titane et d'autres, pour former des oxydes à l'état solide. Pour les besoins de la présente description, il sera supposé que de l'oxygène ou des mélanges d'oxygène et de gaz inertes sont utilisés comme oxydants, 10 Quand l'oxygène est l'oxydant de base, la réaction suivante peut avoir lieu : (1) û2 + 2C 2CO f (2) û2 + C ^ C02 f (3) 02 = 02 (l'oxygène pa sse à côté de la masse en fusion) (Fe) 15 i, \ (Cr) V M r. 54) x _ ^ M 0 i °2 + y (si) y x (etc.) dans lesquels M est un élément métallique et M^O^ représente des oxydes tels que FeO, FeOC^O^, Cr^^, Si02, etc pouvant se former. 20 Pour les gaz inertes ou diluants (5) A (entrant) ^ A (sortant) (6) N2(entrant) ^ ^(sortant) (7) ou N2 ^ 2N (8) ou N > N2 25 (De petites quantités d'azote peuvent se dissoudre dans le bain ou échapper du bain). (9) H2 (entrant) = H2 (sortant) (10) H2 = 2H (11) 2H > 30 (De petites quantités d'hydrogène peuvent se dissoudre dans le bain ou échapper du bain). Si de l'oxyde de carbone est utilisé comme l'un des gaz à l'entrée, les réactions suivantes sont possibles : (12) CC (entrant) = CO (sortant) 35 ( j-3) yCO 4 xM = M û + yC' x y formule dans laquelle M est. un élément métallique tel que du silicium, du manganèse, du chrome, etc. 70 46098 4 2075921 De façon similaire, si de l'anhydride carbonique est utilisé comme l'un des gaz à l'entrée, les réactions suivantes peuvent avoir lieu : (14) 0_2 + C = 2CO (15) IC00 + yM = & + M 0 2 2 2 x y 5 II apparaît d'après les réactions précédentes que, pour éviter l'oxydation des métaux, les réactions préférables sont celles produisant une augmentation ou au moins ne produisant pas de modification du volume total de gaz dans le récipient. Les réactions devant être évitées (qui sont représentées par les équations 4, 13 et 15) sont celles qui provoquent une 10 diminution du volume total de gaz. Il sera noté que ce sont les équations qui représentent la production d:oxydes de métaux tels que le silicium, le manganèse, le chrome, le fer, etc. De façon idéale, tout l'oxygène gazeux introduit dans le système doit être converti en oxyde de carbone. En réalité,, une partie de l'oxygène traverse le récipient de réaction sans avoir réagi 15 et une partie de l'oxygène se combine pour former de l'anhydride carbonique. L'oxydation non commandée permet à une partie de l'oxygène d'être convertie à la forme d'oxydes à l'état solide. Il sera noté, à ce point, que même une certaine.quantité des oxydes métalliques formés est volatile, par exemple le monoxyde de silicium, ces oxydes se condensant sur les parties plus 20 froides du récipient de réaction. Le résultat net sur le système total est que tous les oxydes métalliques peuvent être considérés comme des oxydes à l'état solide. Quand une quantité prédéterminée d'oxygène (ou d'oxydant) a été ajoutée au bain et quand la composition moyenne des gaz d'échappement a été 25 déterminée,- il est possible d'estimer par des procédés connus le débit global des gaz à la sortie. Ce débit estimé des gaz échappant constitue une partie ou la totalité de la charge à la sortie que le système de pompe à vide doit évacuer. Il a été déterminé empiriquement que la capacité du système de chauffage augmente quand la pression augmente. De plus, la connaissance de 30 la charge escomptée résultant des réactions de décarburation (le débit sortant estimé de gaz) et de la charge d'une entrée d'équilibrage dans le système (fournie pour établir une pression particulière désirable pour la réaction) permet d'estimer la pression qui devrait être atteinte dans le système. Cette pression escomptée peut alors être comparée à la pression réellement mesurée 35 dans le système. Si la pression mesurée dans le système est égale ou supérieure à celle calculée ou escomptée, il petit en être conclu qu'il n'y a pas d'oxydation de métal. ïl est évident que cette conclusion est valable quand il n'y a pas de fuites substantielles dans le système. Si la pression observée 70 46098 5 2075921 ou mesurée est inférieure à la pression calculée ou escomptée, il peut être conclu que l'oxydation de métal a lieu. La description donnée ci-dessus suppose que le processus de décarburation doit être conduit de façon qu'il n'y ait pas d'oxydation de métal. Dans la pratique, il peut être toléré 5 de faibles pertes de métaux en réglant les limites du rendement minimal pour la conversion de l'oxygène, de l'oxyde de carbone et de l'anhydride carbonique. Le rendement est défini de la façon suivante 100X/ 0,5 volume CO + volume CO^ + volume 0^ Rendement pra- , , , ^7 des gaz échappant / 10 (16) tique de conversion Volume de 0^ injecté Quand la pression réelle ou la pression observée est inférieure à la pression escomptée, une action de correction doit avoir lieu pour éviter ou pour minimiser l'oxydation indésirable des métaux du bain devant être 15 conservés. Cette action particulière de correction dépend de l'état du système. Le fait que la pression réelle est inférieure à la pression escomptée permet d'estimer que la pression dans le système est supérieure à celle désirable pour une décarburation efficace. Il est nécessaire d'abaisser la pression totale" dans l'ensemble du système à une valeur permettant une 20 décarburation efficace (c'est-à-dire sans perte de valeurs métalliques). Dans le cas d'utilisation d'une charge d'équilibrage ou de ballast et d'un oxydant, la pression peut être abaissée en réduisant la charge de ballast. La réduction de la pression dans le système accélère la réaction de décarburation et, par suite, peut réduire les réactions d'oxydation de métaux et, de ce fait, 25 peut réduire les pertes de métal. La quantité d'oxydant (oxygène) peut aussi être réduite, ce qui réduit la quantité d'oxydant disponible pour la réaction de décarburation à un point pour lequel l'oxydant est pratiquement totalement consommé par cette réaction sans qu'il reste d'oxydant disponible pour cette réaction des métaux qui doit être minimisée. De même, l'alimentation de 30 ballast et l'alimentation en oxydant peuvent être réduites en même temps pour obtenir une combinaison des effets ci-dessus. Quand il est constaté qu'une pressicn réelle est inférieure à la pression escomptée, ce qui indique une . oxydation de métal, il est préférable de réduire progressivement la charge de ballast et de comparer la différence entre la nouvelle pression réelle et 35 la pression escomptée (en calculant la pression escomptée pour chaque nouvelle charge de ballast envoyée dans le système) jusqu'à ce que la pression atteinte dans le système indique qu'une décarburation efficace a lieu. Cette condition est celle pour laquelle la pression dans le système a été suffisamment réduite 70 46098 6 2075921 jusqu'à un point pour lequel la pression escomptée est devenue égale ou supérieure à la pression réelle, la pression escomptée étant calculée d'après des considérations thermodynamiques de la réaction de décarburation. Quand la pression dans le système est supérieure ou égale à la 5 pression escomptée par calcul à partir des considérations thermodynamiques, cela indique que le processus de décarburation progresse de façon satisfaisante, (c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'oxydation de métal). Cependant, il est possible que le système de décarburation ne soit pas utilisé de la façon optimale; Ainsi, pour la commande du traitement de décarburation sous vide 10 d'après la pression dans le système, tant que cette pression est égale ou supérieure à la pression escomptée d'après les calculs, l'oxydation de métal a été minimisée au degré désiré ou a été complètement éliminée. Le procédé de commande décrit ci-dessus est une commande dynamique, et il peut être utilisé aussi bien dans un système de commande automatique 15 que dans un système â commande manuelle. La figure' unique représente un équipement de décarburation sous vide dans lequel la commande de la décarburation est assurée par le procédé selon l'invention. Cet équipement comporte un récipient 2 tel qu'un four à oxygène basique ou une poche de traitement contenant un bain de métal en fusion 3 et un couvercle fermé 20 de façon étanche 4 de manière qu'un vide puisse être établi à l'intérieur du récipient 2. Un conduit d'alimentation 6 permet l'envoi d'un oxydant tel que de l'oxygène à l'intérieur du récipient et un conduit d'alimentation 8 l'envoi d'une charge de ballast gazeux tel que de l'azote ou de l'argon à l'intérieur du récipient 2„ Une pompe à vide telle qu'un système 25 à éjecteurs de vapeur d'eau 10 est connectée au récipient 2 pour établir dans celui-ci un vide convenable pour la décarburation efficace du bain 3 à l'intérieur du récipient. Il est préférable d'utiliser un système à éjecteurs de vapeur d'eau à connexion double comportant: une canalisation à vide principale 12 et une canalisation à vide secondaire 14, ces deux canalisations étant 30 raccordées, par exemple au couvercle 4 du récipient 2. L'utilisation d'une connexion double permer. la ccrrmande par des vannes de l'établissement du vide voulu dans le récipient de réaction 2. Le système à injecteurs de vapeur d'eau 10 utilisé est un système à plusieurs éjecteurs comportant un premier étage simple 16, un second étage double 18, 18' couplé directement au 35 premier étage 16 er dont les deux éjecteurs sont connectés à un condenseur de vapeur d'eau 20. La canalisation de gaz ballast 22 alimente le premier condenseur 20. Les éjecteurs de troisième étage 24 et 24' sont connectés au condenseur 20 et l'éjecteur de troisième étage 24" est connecté directement COPY 70 46098 7 2075921 aux éjecteurs 18 et 18'- Les éjecteurs de troisième étage 24 et 24' sont connectés individuellement aux condenseurs de second étage 26 et 26' qui, à leur tour, sont connectés aux éjecteurs de quatrième étage 28 et 28'. Un éjecteur supplémentaire de quatrième étage 28'1 est connecté directement 5 à l'éjecteur de troisième étage 24". Les trois éjecteurs de quatrième étage 28, 28' et 28*' sont connectés à un condenseur d'étage final 30. Le gaz ballast est envoyé dans ce système par la canalisation 22 pour aider à l'établissement de la pression particulière désirée à l'intérieur du récipient 2, conjoir-nement avec l'alimentation en oxydant envoyé par 10 la canalisarton 6. L'alimentation en gaz ballast 8 est de façon classique une alimentation d'azote d'urgence qui peut être envoyée directement dans le récipient de réaction. Ce même système d'alimentation en azote peut être utilisé pour remplir le système de réaction quand la décarburation et les autres cycles de traitement gazeux sont terminés. Il est possible d'envoyer 15 du gaz ballast pour régler la pression dans le système à travers la canalisation 8, mais l'alimentation par la canalisation 22 a des avantages du point de vue pratique. L'appareil de décarburation doit, de préférence, aussi comporter des dispositifs de mesure et de commande du débit 32 dans le système d'alimentation en oxydant pour la mesure du débit d'oxydant et 20 le réglage de ce débit, ainsi que pour les gaz inertes pouvant être aussi injectés. Des manomètres à vide peuvent être équipés en 34 pour mesurer la valeur du vide dans le récipient et aes manomètres peuvent aussi être placés en des points convenables du système à éjecteurs de vapeur d'eau, par exemple en amont de chaque étage éjecteur. Un système d'analyse des gaz d'échappement 25 est utilisé d'une façon connue pour la mesure des gaz particuliers d:échappe-ment et de la composition de l:ensemble des gaz d'échappement d'après les différents constituants. Des dispositifs de mesure et de commande du débit similaires aux dispositifs de mesure et de commande représentés en 32 sont utilisés de la façon voulue dans la canalisation 22 de la façon représentée 30 en 36 pour mesurer et réduire le débit du gaz ballast. Des dispositifs convenables de mesure et de réglage sont connus et sont disponibles commercialement, T1 est préférable aussi de disposer d'une calculatrice pour effectuer les calculs de la réaction de décarburation afin d'obtenir un résultat rapide pour la pression escomptée en fonction des différents paramètres existant 35 dans le système. Bien entende, la description qui précède n'est pas limitative et 1 invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. COPY 70 46098 8 2075921 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la dècarburation sous vide d'un métal en fusion contenu dans un récipient de réaction thermique dans lequel est introduite 5 une matière oxydante et dans laquelle il est désiré de minimiser l'oxydation de certains métaux contenus dans le métal en fusion en établissant dans le récipient une pression prédéterminée et en mesurant la composition et le débit des gaz introduits dans le récipient et en mesurant la composition des gaz d'échappement pour déterminer le taux escompté d'extraction du 10 carbone du métal, caractériÉ par la détermination de la pression escomptée dans le récipient d'après la vitesse escomptée d'extraction de l'acier, la mesure de la pression réelle dans le récipient et le réglage de la composition et des débits des gaz et le maintien dans le récipient de réaction de la pression réelle au moins à la valeur de la pression escomptée. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maintien dans le récipient de la pression.réelle à une valeur au moins égale à celle de la pression escomptée comporte la réduction de la quantité de matière oxydante introduite dans le récipient tout en maintenant constant le débit de gaz introduit afin de maintenir une pression ambiante constante à 20 l'intérieur du récipient de réaction. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maintien dans le récipient de la pression réelle à une valeur au moins .égale à celle de la pression escomptée comporte la réduction de la pression ambiante dans le récipient de réaction pour accélérer la réaction de décarburation 25 et, par suite, réduire 1'oxydation des métaux. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par la réduction de la quantité de matière oxydante introduite dans le récipient de réaction.