Brevet FR2116500A1 — publié le 19720713

La présente invention se rapporte à un procédé de formation de fibres directement à partir de masses fondues d'acier. La récente introduction des nouvelles techniques de formation de fibres à partir des masses fondues à viscosité ex-5 trêmement faible, c'est-à-dire inférieure à environ 10 poises, s'est révélée très satisfaisante et économiquement compétitive par rapport aux anciens procédés tels que, par exemple, l'étirage êe fils. Une des nouvelles techniques est décrite elfe revendiquée ext détail dans le brevet américain n° 3.216.076. On décrit dans ce 10 brevet un procédé dans lequel dea métaux peuvent être extrudés sous forme d'un courant fondu filamenteux libre dans' une atmosphère gazeuse et solidifiés pour former une fibre. Pour empêcher la tension superficielle de briser le courant fondu en masses sphéri-ques séparées, l'atmosphère gazeuse réagit avec le courant pour 15 former un film d'oxyde autour de ce courant. Le film droxyde a une résistance suffisante pour empêcher des interruptions induites par la tension superficielle dans la continuité du courant, avant la solidification du courant en une fibre. Cette technique est appelée "stabilisation". 20 Le brevet indiqué ci-dessus montre, en outre, que cer tains films d'oxydes métalliques sont solubles dans le courant de métal fondu et en conséquence ne conviennent pas pour empêcher ou retarder les interruptions de courant dues aux tensions superficielles. Le brevet enseigne l'addition à la masse fondue d'une 25 faible quantité d'un second métal ayant un oxyde non soluble dans le courant. Ainsi, par exemple, le fer (ou l'acier) a des oxydes qui sont solubles dans le métal fondu, mais, par l'addition d'une faible quantité d'aluminium, il peut, se former un film droxyde d'aluminium insoluble autour du courant pour empêcher les interrup-30 tions de continuité. Dans le brevet indiqué ci-dessus, on enseigne que les courants fondus peuvent être également stabilisés ert formant des films autres que ceux constitués d'oxydes, tels que. par exemple des films de nitrure ou de carboae. Le procédé revendiqué a l'avaaa-35 tage supplémentaire de ne pas exiger la présence dl^un second métal dans les cas dans lesquels le métal prédominant; *. un oxyde soluble. Le brevet indique, en outre, que les techaiques de stabilisation ne sont pas limitées à des métaux mais peuvent être utilisées pour former des fibres à partir d'autres matières à faible visco-40 sité, telles que des métalloïdes, des oxydes métalliques et des 71 43321 2 2116500 sels. On a observé que, lorsque de l'acier fondu était extru-dé à travers une faible ouverture telle qu'un orifice, des précipités se forment souvent dans l'orifice ou au voisinage de celui-5 ci. Ce problème devient très important lorsqu'on forme des fibres selon les techniques de stabilisation décrites ci-dessus. Les produits précipités dans l'orifice ou à son voisinage peuvent provoquer des écarts latéraux peu souhaitables du courant fondu après qu'il ait été extrudé.à travers l'orifice et généralement ceci at-10 teint son maximum avec un bouchage complet de l'orifice. Les réactions chimiques se produisant durant le procédé d'extrusion sont principalement la cause du bouchage partiel ou complet de l'orifice avec les produits précipités. Par exemple, dans l'extrusion de l'acier, on pense que la réaction est généra-15 lement une réaction oxyde de métal réfractaire-oxygène-métal réfrac taire. Comme il est nécessaire d'utiliser des ensembles de creuset composés de matériaux qui ont à la fois un point de fusion élevé et de bonnes propriétés de résistance aux chocs thermiques, certains oxydes de métaux réfractaires tels que l'alumine (Al^O^) 20 et l'oxyde de béryllium (BeO) sont souvent employés. L'aluminium lui-même est souvent utilisé en faibles quantités comme second métal pour stabiliser un courant fondu d'acier. Des réactions se produisent entre ces matériaux, l'oxygène, et le carbone dans l'acier fondu. Un gaz tel que l'oxyde de carbone est libéré et 25 commence à s'accumuler au-dessus de la masse fondue. Eventuellement des oxydes tels qu'un précipité d'alumine et de chrysobéryl précipitent dans l'orifice ou à son voisinage, en provoquant le problème de bouchage. Le chrysobéryl est de 1'aluminate de béryllium (BeO . A120^) et on le trouve généralement dans un système mixte 30 où des parties d'alumine et d'oxyde de béryllium entrent en contact avec la masse fondue. En bref, la présente invention implique le contrôle de l'atmosphère gazeuse en extrudant un acier fondu contenu dans l'ensemble de creuset à travers l'orifice. Dans un aspect de la pré-35 sente, invention, la pression partielle d'une espèce gazeuse qui entre en réaction chimique avec la matière fondue contenue à l'intérieur de l'ensemble de creuset, avec les matières comprenant l'ensemble de creuset et avec les impuretés contenues dans la masse fondue est maintenue à un niveau prédéterminé suffisant pour 40 "équilibrer au point de vue thermodynamique'' la réaction chimique. 71 43321 3 2116500 Par exemple, dans l'extrusion de l'acier fondu contenu dans un creuset d'alumine, de l'oxyde de carbone étant libéré au-dessus de la masse fondue, on utilise un écoulement de gaz inerte pour retirer l'oxyde de carbone, lorsqu'il est formé, en équilibrant 5 ainsi de manière thermodynamique la réaction chimique. Un autre aspejt encore de la présente invention est tel qu'en modifiant la composition de l'atmosphère gazeuse et la pression partielle de l'espace gazeuse jusqu'à un niveau prédéterminé choisi, on peut augmenter ou diminuer la dimension de l'orifice 10 tel qu'on le désire. Dans la description de la présente invention, il convient de concevoir cette description en fonction de l'extrusion de l'acier fondu. Il apparaîtra, après avoir lu le sujet qui y est contenu, que la présente invention est adaptée à l'extrusion d'au-15 très métaux et d'autres matières à faible viscosité dans lesquelles au moins un des composants de l'atmosphère gazeuse, auquel on se référera ci-après seus le nom d'espèce gazeuse, antre en réaction. Ainsi, les points dont on croit qu'ils sont caractéristiques de la présente invention sont présentés dans les revendications. La 20 présente invention avec d'autres objets et avantages peut être mieux comprise en se référant à la description suivante, en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une coupe transversale verticale d'un dispositif de filage typique. 25 La figure 2 est un graphique indiquant le débit massique en fonction des temps d'extrusion sans purge ds gaz inerte. La figure 3 est un graphique indiquant le débit massique lorsque le débit de purge est modifié ; et La figure 4 est un graphique du débit massique en fonc-30 tion du temps pour une purge constante du gaz inerte. Sur les figures 2, 3 et 4, on porte en abscisses le temps en minutes et le débit massique en g/mn en ordonnées, A sur la figure 3 indiquant l'augmentation du débit de purge. Dans l'extrusion de l'acier fondu, le procédé peut être 35 conduit sous forme d'une extrusion "par fournée" ou "continue". L'extrusion par fournée est fondamentalement la fusion et l'extrusion d'une charge unique d'acier,par opposition à l'addition continue de charges dans l'extrusion en continu. Dans l'extrusion par fournée, il y a une augmentation générale du niveau d'oxygène lors-40 que le procédé se poursuit. Il y a également une augmentation de 71 43321 n 2116500 la quantité d'oxyde de carbone en contact avec et au-dessus de la masse fondue. On croit que les réactions suivantes ont lieu dans la masse fondue : 5 (1) MeO^ ^ Me + 0 (2) O+Ç ^ C0(g) où Me représente un métal réfractaire tel que l'aluminium, par exemple, et les composants soulignés représentent les composants qui sont en solution. En combinant les réactions (1) et (2), on obtient l'équation (3) : (3) Me0(s) + £ ^ M + Ç + £ ^ Me + 15 où Me0^gj est l'oxyde réfractaire qui, dans des conditions qui ne sont pas en équilibre thermodynamique amenant la réaction (3) à déplacer vers la gauche, peut continuellement précipiter à partir de la solution. Comme l'orifice est ouvert vers une chambre de stabilisa-20 tion, et est ainsi d'ordinaire plus froid que la masse fondue environnante, la précipitation, lorsqu'elle se produit, est généralement au voisinage de l'orifice. Au mieux, la présence de particules de précipité non souhaité dans l'orifice peut affecter les configurations d'écoulement du courant qui, à leur tour, affec-25 tent la stabilisation, ce qui atteint finalement son maximun par la production d'une fibre inférieure. Généralement, les particules de précipité se rassemblent dans l'orifice jusqu'à ce que l'orifice soit rempli ou bouché, en empêchant l'écoulement du courant . 30 Cependant, on a trouvé que la dimension d'orifice pou vait être maintenue essentiellement constante en équilibrant la réaction (3) au point de vue thermodynamique. En d'autres termes, la précipitation peut être réduite ou éliminée d'une manière importante. En général, les concentrations en carbone et en métal 35 réfractaire dans une charge unique d'acier fondu sont essentiellement constantes. La température de la masse fondue et le niveau de pression d'oxyde de carbone sont cependant des variables indépendantes mais reliées entre elles. En contrôlant ces deux variables, la réaction (3) peut être maintenue équilibrée au point de 40 vue thermodynamique. 71 43321 5 2116500 Selon une caractéristique de la présente invention, une espèce gazeuse, par exemple l'oxyde de carbone, a été retirée par un écoulement d'argon en tant que gaz inerte, lorsqu'il est formé. En faisant varier le taux d'enlèvement d'oxyde de carbone, on a 5 augmenté, diminué ou maintenu sensiblement constante la dimension de l'orifice. Ainsi, la réaction (3) se déplace vers la gauche lorsque le niveau d'oxyde de carbone est supérieur à la valeur pour laquelle la réaction (3) est équilibrée. Dans ces conditions, l'oxyde métallique précipite dans l'orifice ou au voisinage de 10 celui-ci. D'autre part, la demanderesse a également trouvé qu'en augmentant la purge de gaz inerte et en abaissant le niveau d'oxyde de carbone, l'oxyde métallique tend à passer en solution, en amenant l'orifice à augmenter sa dimension par suite de l'érosion. La figure 1 illustre schématiquement l'opération indiquée 15 ci-dessus. L'ensemble de creuset 10 contient l'acier fondu 11 qui est extrudé à travers 1'«rifice 12 dans une chambre 13 contenant une atmosphère gazeuse de produit de refroidissement réagissant pour former un film de stabilisation autour du courant 14. Dans cette opération, un gaz inerte 15 est amené à s'écouler à travers 20 la surface de l'acier fondu 11 afin de balayer le gaz formé par suite de la réaction ensemble de creuset-acier fondu, telle que la réaction (3). Le taux d'écoulement du gaz est contrôlé, tel que souhaité, pour maintenir ou modifier la dimension de l'orifice. Dans des opérations à titre de variante, on peut utiliser les tech-25 niques de barbotage pour contrôler la composition de l'atmosphère gazeuse. Le terme "purge" est, en conséquence, employé générique-ment pour définir le contrôle sélectif de l'espèce gazeuse formée par la réaction afin de fournir la pression partielle convenable de l'espèce gazeuse. Ainsi, le terme "purge" n'est pas limité par 30 la manière selon laquelle l'espèce gazeuse est retirée. EXEMPLE 1 Une charge d'acier ayant environ 1 % d'aluminium a été fondue dans un ensemble de creuset en oxyde de béryllium et maintenue à une température d'environ 1650°C. La masse fondue a été 35 extrudée à travers un orifice de 195 microns sous environ 1,4 kg/ cm2 dans une atmosphère formant un oxyde, telle que, par exemple, de l'air, du gaz carbonique ou de l'oxyde de carbone. Comme l'indique le tableau 1 ci-dessous, le débit initialement était environ de 63,4 g/mn. 71 43321 6 2116500 TABLEAU 1 Temps écoulé (mn) Débit (g/mn) 0 63,4 2,0 63,3 5 3,0 64,9 4,0 61,9 5,0 3^,9 5,5 8,6 6,0 Ecoulement arrêté 10 Le débit a diminué de manière importante durant la quatrième minute et a cessé au bout de six minutes, tel qu 'indiqué par le graphique de la figure 2. Un examen du précipité qui bouchait l'orifice a déterminé qu'il était principalement composé de chrysobéryl. EXEMPLE 2 15 Une charge d'acier ayant environ 1 % d'aluminium a été fondue dans un ensemble de creuset en oxyde de béryllium et maintenue à une température d'environ 1605°C. La masse fondue a été alors extrudée à travers un orifice de 160 microns, à un débit initial d'environ 23,0 g/mn, dans une atmosphère formant un oxyde. 20 De l'argon a été utilisé pour purger l'oxyde de carbone qui s'est formé au-dessus de la masse fondue. Le tableau 2 indique les divers intervalles de temps écoulés, le taux de purge par l'argon et les taux d'écoulement massiques de l'acier fondu. Le graphique de la figure 3 illustre le taux d'écoulement massique pour les di-25 vers intervalles de temps écoulés. TABLEAU 2 Temps écoulé (mn) Purge par l'argon (cm3/mn) Débit (g/mn) 2,0 800 22,4 2,5 800 20,4 4,0" (légèrement moindre) r? 800 18,4 4,0+ (légèrement plus grand) 7? 800 18,4 6,0 800 22,4 7,0 7 >800 25,6 8,0 800 27,2 9,0 *>800 29,2 10,0 **800 32,8 11,0 >*800 34,0 40 Le tableau 2 montre bien que le débit dé la matière fondue peut 71 43321 7 2116500 10 15 20 25 être contrôlé par le taux de purge. Comme on le voiZ sur la figure 3, l'écoulement a diminué constamment pour une purge par l'argon d1approximativement 800 cm^/mn. Ceci indique que la précipitation se produisait dans l'orifice. Quand la purge par l'argon a été augmentée jusqu'à une valeur bien supérieure à 800 cm^/mm, l'érosion de l'orifice commençait à avoir lieu. EXEMPLE 3 La charge d'fder a été fondue dans un ensemble de creuset en oxyde de béryllium et maintenue à une température d'environ 1550°C. Le diamètre d'orifice était approximativement 155 microns. Le débit de la masse initiale était environ de 28,4 g/mn. Une purge par l'argon d'environ 800 cnrVmn a été utilisée pour enlever l'oxyde de carbone gazeux au fur et à mesure qu'il était formé.Tel qu'indiqué par le tableau 3 et le graphique de la figure 4, le débit massique augmentait légèrement durant l'essai d'extrusion, mais la charge a été complètement extrudée à travers l'orifice par opposition à l'essai de l'exemple 1. TABLEAU 3 (mn) 30 35 40 Temps écoulé 1,75 2,50 3,25 4,00 4,75 5,50 6,25 7,00 7,75 8,50 9,25 10,0 10,75 11,50 12,25 13,00 13,75 14,50 15,25 19,75 21,50 Débit (g/mn) 28,8 31,2 30,8 30,8 32,4 32,0 33,6 33,2 33,6 34,8 34,0 34,0 34,0 33,6 33,6 33,6 34,4 34,4 35,2 36,8 s'écoulait à grand débit 71 8 2116500 En lisant la description indiquée, il est clair que la présente invention peut être mise en pratique avec de l'acier fondu extrudé à travers un orifice. Selon le résultat désiré, la concentration de l'espèce gazeuse au-dessus de la masse fondue est 5 maintenue à un niveau prédéterminé, entraînant un contrôle très précis de la dimension d'orifice. Il apparaîtra également qu'il y diverses manières suivant lesquelles la concentration de l'espèce gazeuse peut être modifiée. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de 10 réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire sus ceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 71 43321 9 2116500 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'extrusion d'acier fondu à partir d'un creuset ayant un orifice défini dans le creuset et une atmosphère gazeuse au-dessus du creuset, caractérisé en ce que l'acier fondu est 5 équilibré, au point de vue thermodynamique, en contrôlant la composition de gaz de l'atmosphère gazeuse de manière telle que l'on minimise la formation d'oxydes métalliques par des réactions chimiques entre l'acier fondu, le carbone dans l'acier fondu, le creuset et l'atmosphère gazeuse. 10 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un écoulement contrôlable de gaz inerte pour purger l'atmosphère gazeuse afin de contrôler sa composition. 3 - A titre de produits industriels nouveaux, aciers fondus extrudés à partir d'un creuset selon l'une quelconque des 15 revendications 1 et 2.