Brevet FR2112295A1 — publié le 19720616

I . La présente invention concerne les procédés de fabrication de lingots d'acier de grande dimension? et en particulier un pro- \ cédé selon lequel on utilise une fusion à l'arc à électrodes consommables et sous vide au lieu de masselottes chaudes, pour réa-5 liser un lingot plein de grande dimension, dépourvu de cavité ou de puits central, comme cela est courant dans la coulée des lingots de grande dimension. Lorsqu'on fabrique des lingots d'acier destinés à un forgeage ou un laminage ultérieur, on coule couramment l'acier liquide dans 10 des moules refroidis en fer, ayant, la section et la hauteur voulues de manière à contenir l'acier liquide et à former un lingot qu'on peut chauffer et traiter par forgeage ou laminage. La variation de volume de l'acier lorsqu'il passe de l'état liquide à l'état solide provoque de façon bien connue la formation 15 de cavité^de retrait ou vide^dans les lingots. Dans le cas d'acier totalement désoxydé ou calmé, il est nécessaire de disposer un réservoir ou une masselotte chaude d'acier liquide supplémentaire à la partie supérieure de la masse du lingot, de manière à maintenir une maure de liquide pendant le .temps nécessaire à l'introduc-20 tion d'acier liquide dans la masse du lingot au cours de sa solidification et de son retrait. Comme le savent malheureusement les fabricants de lingots d'acier, ce3 efforts pour réaliser des lingots sains en acier sans cavité de retrait ne sont pas toujours couronnés de succès, même lorsque la masselotte chaude réfractaire 25 et isolée placée à la partie supérieure du moule en acier coulé contenant le lingot atteint des valeurs aussi élevées que 25 ou 30 io du poids total du lingot coulé. Ceci est particulièrement vrai lorsque le poids et la section du lingot augmentent, et le temps nécessaire à la solidification totale est alors très long.■ 30 On utilise de nombreux procédés pour conserver le réservoir à acier à une température suffisamment élevée pour que l'acier 3oit liquide au cours d'une période prolongée de solidification. Selon ces procédés, on utilise des couvercles isolants placés au-dessus de la masselotte chaude, des poudres et/ou des revêtements 35 exothermiques disposés dans la masselotte chaude et destinés à introduire de la chaleur supplémentaire pour maintenir l'acier liquide, un chauffage électrique par induction de la masselotte, un chauffage à l'arc éleotrique- de l'acier liquide de la partie BAD ORIGINAL^ COPY 71 35328 -s- 2112295 supérieure ou un courant électrique passant dans le laitier qui se trouve sur l'acier liquide (laitier conducteur). Ces procédés sont différemment efficaces pour l'introduction d'acier liquide dans la masse du lingot qui se solidifie pendant 5 la période nécessaire. Cependant, lorsqu'on les met en oeuvre, tous ces procédés présentent plusieurginconvénients communs. D'abord, lorsque l'acier liquide reste dans le réservoir, il s'oxyde et subit des transformations chimiques. Ceci est vrai avec ou sans revêtement de laitier liquide, et le phénomène est parti-10 culièrement important lorsque des lingots très grands nécessitent que le réservoir contienne de l'acier liquide pendant 10 heures, 20 heures ou même plus. Un second inconvénient essentiel des procédés classiques à masselotte chaude citée, est que le métal liquide destiné au volu-15 me de la masselotte doit constituer une partie de l'acier fondu et coulé pour la réalisation du produit voulu. On sait en effet qu'on obtient ce produit uniquement à partir de la masse du lingot, et que le métal faisant partie du volume de la masselotte chaude doit être découpé et mis à la ferraille. 20 La présente invention concerne l'utilisation d'une électrode consommable en acier, de même composition que la masse du lingot coulé , qu'on fait fondre sous vide à l'aide d'un arc qui passe entre la partie inférieure de l'électrode et la face supérieure liquide du lingot coulé. On règle la vitesse de fusion d'après la 25 tension et l'intensité qui passent dans l'électrode, et elle est telle que la fusion d'acier de l'électrode consommable compense totalement le retrait de la masse du lingot. La pression dans la chambre qui contient la masse du lingot, l'électrode et l'arc au-dessus de l'acier liquide, est suffisamment 30 faible pour permettre l'établissement d'un arc stable destiné à la fusion de l'électrode consommable, et cette pression est de préférence inférieure à 8J0~^ bar, comme cela est de pratique courante pour la fusion sous vide à électrodes consommables. De manière analogue, la pression doit être suffisamment élevée pour ré-35 duire la perte de manganèse et d'autres éléments voulus qui ont une tension de vapeur élevée, et la pression est donc au moins —6 égale à 4.10~ bar. On peut régler la pression à une valeur supé 71 35328 -3- 2112295 rieure le cas échéant, en introduisant un gaz inerte, par exemple de l'argon, dans le système sous vide après avoir utilisé une pression de démarrage comprise dans la plage voulue de 4 à 8.10~^ bar. Au cours de la fusion de l'électrode, on peut faire monter 5 la pression à plusieurs millibars, jusqu'à 13 millibars et même plus, suivant la vitesse de fusion et la stabilité de l'arc. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel : 10 la figure 1 est une coupe partielle d'une lingotière et d'une chambre sous vide, comportant une poche de coulée, selon l'invention ; et la figure 2 est une ooupe verticale de la lingotière/fe la chambre de la figure 1, avec une électrode consommable mise à la 15 place de la poche de coulée. les figures illustrent un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, selon lequel on place une lingotière 10 en fonte sur un fromage 11 placé dans une enceinte 12 formant une chambre autour de la lingotière 10. L'enceinte 12 comprend un ori-20 fice 13 relié à un système de pompage de type classique utilisé pour le dégazage sous vide, et qu'on n'a pas représenté. On place un couvercle 14 sur l'enceinte 12, de manière étanche, et on place sur le couvercle une poche 15 contenant le métal fondu à couler dans la lingotière 10. On met sous vide la chambre de l'enceinte 25 10, à la pression voulue, et on coule l'acier liquide 16 dans la lingotière 10, suivant la technique bien connue de dégazage sous vide. Cette technique est bien connue, et on l'utilise pour illustrer l'un des procédés de coulée d'un lingot de grande dimension en acier liquide dégazé sous vide. 30 Après la fin de la coulée de l'acier 16 dans la lingotière 10, on remet la chambre à la pression atmosphérique et on retire la poche 15. On place sur le couvercle 14 un corps 17 de four destiné à porter une tige 18 de manière étanche et un support 19 d'électrode 20. Celle-ci est en même matière que l'acier 16. On 35 abaisse à nouveau la pression dans l'enceinte 12 dans la plage —6 voulue de démarrage (par exemple entre 4 et 8.10"" bar) et on abaisse l'électrode 20 vers la partie supérieure de l'acier 22 qui 71 35328 -4- 2112295 ae trouve dans la lingotière 10 j on établit alors l'arc en fondant l'acier de la partie inférieure de l'électrode qui tombe dans la masse d'acier liquide du lingot 22. On poursuit la fusion de l'électrode 20 au cours de la solidification totale du lingot 22, 5 avec une vitesse suffisante pour compenser le retrait de la masse du lingot. On contrôle le niveau du liquide à la partie supérieure du lingot par des orifices convenables 23 d'observation ou à l'aide de caméras de télévision et d'éorans d'observation. L'énergie utilisée pour la fusion de l'éleotrode 20 est la même que 10 celle qu'on utilise normalement pour la fusion à l'arc d'électrode consommable, c'est-à-dire qu'on utilise un courant continu, l'électrode étant reliée au pôle négatif, de 25 à 65 volts. Il est aussi possible d'inverser la polarité pour chauffer plus l'acier liquide. Le diamètre de l'électrode est de préférence compris entre 15 environ 25 et 35 $> du diamètre de la masse du lingot, et elle est centrée sur celle-ci de manière à maintenir le liquide dans la partie axiale centrale du lingot, qui^e solidifie la dernière. Par exemple, on utilise de préférence une électrode de 63,5 à 89 cm de diamètre avec un lingot dont le diamètre est de 259 cm 20 (placé dans une lingotière ronde et cannelée en fonte) et qui pèse 158 tonnes. Une telle éleotrode pèse au moins 8,1 tonnes (5 $ du poids de l'acier coulé) pour fournir suffisamment de métal compte tenu du retrait du lingot qui se solidifie. Ainsi, suivant la pratique connue de fusion à l'arc, cette électrode de 63,5 à 25 89 cm de diamètre nécessite une alimentation continue de 25 à 50 volts et un courant de 15 à 25 000 ampères, qu'on réduit au cours du cycle final. A la fin de la période de solidification, lorsqu'il ne faut plus d'acier pour la masse du lingot, on arrête le fonctionnement et on met à nouveau l'enceinte 10 à la pression 30 atmosphérique. On retire le corps 17 du four, on enlève le couvercle 14 et on sort le lingot 22 de la lingotière 10. La manipulation ultérieure du lingot 22 dépend de l'acier particulier et de l'utilisation prévue. Dans la description précédente, on place un corps 17 à la 35 partie supérieure d'un couvercle 14 et d'une enceinte 12 ; cependant, on peut aussi placer directement au sommet de la lingotière 10 le corps 17 à l'aide d'une plaque d'adaptation, où. on peut uti 71 35328 -5- 2112295 liser un corps spécialement prévu ; on fait ensuite le vide et on fait fondre l'électro'de 20 comme décrit précédemment » La description qui précède concerne l'utilisation d'une électrode consommable fondue sous vide sous l'action d'un arc et 5 destinée à former la masselotte chaude d'un lingot d'acier dégazé et coulé suivant les techniques de dégazage se us vide. Oi&eut aussi utiliser d'autres procédés de dégazage, par exemple de dégazage au trou de coulée, de dégazage sous vide en poche, de dégazage de poche à poche ou autres, et on peut aussi dégazer l'acier coulé 10 à l'air dans la lingotière au cours du pompage destiné à faire le vide au-dessus de la lingotière avant de faire fondre l'électrode consommable suivant le procédé de l'invention. Ce dernier procédé de dégazage d'acier n'ayant pas subi de dégazage auparavant, dans la lingotière, implique une libération rapide et habituellement 15 violente des gaz de l'acier liquide, et nécessite une grande hauteur libre du lingot pour contenir la totalité de l'acier liquide qui se déplace activement au cours du dégazage. On obtient deux avantages principaux en mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Le premier et le plus important est 20 que le lingot se solidifie dans les conditions de formation optimales d-'-un centre sain et de liquation chimique minimale. Grâce à la fusion sous vide d'une électrode consommable, il est possible de garantir une réserve d'acier liquide au cours de toute la période de solidification du lingot. Le maintien du 25 liquide à la partie supérieure du lingot assure qu'il ne se produit pas de solidification intermédiaire de la masse du lingot, et on peut en conséquence éliminer les cavités et les canaux secondaires de retrait. Un second avantage important du procédé de l'invention est 30 qu'il permet d'élargir la plage de dimensionydisponible^ pour la production de lingots de dimension maximale qui mettent habituellement en oeuvre la capacité totale de fusion et d'affinage d'une fonderie. Par exemple, si on peux programmer les divers hauts fourneaux d'une fonderie particulière pour produire au total 35 132 tonnes d'acier qu'on peut combiner pour couler un lingot de 182 tonnes par coulée normale avec masselotte chaude classique , le lingot pèse approximativement 136 tonnes. Le reste constitue 71 35328 -6- 2112295 la masselotte chaude. Le forgeage obtenu est proportionnel à ce lingot de 136 tonnes. Grâce à la mise en oeuvre de l'invention, on peut couler la totalité des 182 tonnes de capacité de la fonderie dans une lingotière en fonte pour réaliser le lingot, et 5 on utilise l'acier de l'électrode consommable pour absorber le retrait normal d'un tel lingot. De cette manière, on utilise tout l'acier de la fonderie pour former le corps utilisable, et l'opération de forgeage ultérieur s'applique en conséquence à un poids accru. En résumé, on peut accroîtrais capacité d'une 10 fonderie d'environ 25 à 30 %, sans changer la dimension des appareils utilisés pour la réalisation de l'acier fondu. Ceci est un avantage très important. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra appor-15 ter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 71 35328 -7- 2112295 REVENDIOATIONS 1. Procédé destiné à empêcher la formation de vide et de cavité de retrait dans des lingots d'acier, caractérisé en ce qu'on forme une masse d'acier fondu dégazé dans une lingotière, 5 et on introduit de manière continue de l'acier fondu par fusion sous vide à l'arc d'une électrode dans la masse de l'acier fondu, à une vitesse réglée pratiquement égale à la perte en volume du lingot due à son retrait lors de son refroidissement au cours de la solidification dans la lingotière. i 10 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ;uiie chaire forme la masse d'acier fondu par dégazage dans/par coulee sous videt et on introduit de manière continue l'acier par fusion d'une électrode dans un four monté sur ladite chambre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on 15 coule tout l'acier fondu disponible d'une composition particulière dans une lingotière ne comportant pas de masselotte chaude, et on introduit de façon continue l'acier fondu par fusion sous vide à l'arc à l'aide d'une électrode ayant pratiquement la même composition. 20 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de l'électrode est égal à environ 25 à 35 $ du diamètre du lingot.. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode est pratiquement centrée au-dessus du bain d'acier 25 fondu de la lingotière. 6. Procédé selon la revendication 1, ctestiné simultanément à la suppression de la liquation normale des éléments chimiques H»rm la zone centrale des lingots d'acier, caractérisé en ce qu'on coule la totalité de l'acier fondu d'une composition particulière 30 dans une lingotière ne comportant pas de masselotte chaude, et on introduit de façon continue de l'acier fondu par fusion à l'arc sous vide d'une électrode de composition différente appropriée, de manière à compenser l'hétérogénéité introduite par la solidification sélective. 35 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone centrale du lingot a pratiquement les mêmes caractéristiques de solidification que les lingots consommables fondus à l'arc sous vide.