Brevet FR2133457A1 — publié le 19721201

La présente invention, due à la collaboration de Monsieur André LE MOYNE, Ingénieur Principal à l'Usine de Thionville de la Demanderesse, est relative à un procédé perfectionné d'élaboration d'acier en poche à la pression ordinaire, sous vide ou spus atmosphère réglée avec dégazage et/ou addition d'éléments d'alliages. Lors des traitements précités de l'acier liquide en poche, on observe toujours une baisse de la température du métal liquide qui a pour conséquence des difficultés de mise correcte en lingotières et la présence dtimportants fonds de poche qu'il convient de reprendre. Cette baisse de température est particulièrement sensible lors quton effectue un dégazage du métal en poche: c'est ainsi que pour une coulée de 60 tonnes, la chute-de température est d'environ 6"5 par minute de traitement, soit environ 80" pour un traitement de I2 minutes. Pour assurer une mise correcte en lingotières et éviter d'importants fonds de poche, il est alors indispensable de surchauffer fortement le métal au four, ce-qui se traduit par des inconvénients graves et bien connus quant à la tenue des réfractaires et grève lourdement le prix de revient du métal ainsi traité. D'autre part, toute addition solide de ferro-alliage au métal en fusion dans la poche ne fait qu'aggraver la chute de température; il en résulte'que le pourcentage de ferro-alliages solides que l'on peut incorporer au métal est très faible et généralement inférieur à 1 % du poids de la coulée. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités. Elle a pour objet un procédé d'élaboration d'acier en poche du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on effectue le traitement de l'acier liquide dans une poche munie d'un dispositif d'évacuation à fermeture coulissante et qui a été préchauffée à une température d'au moins 1000C avant l'introduction de l'acier dans la poche. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre. Suivant le procédé de l'invention, on remédie à la chute de température importante et inhérente au traitement en poche en préchauffant la poche de coulée à une température d'au moins 1000"C, avantageusement comprise entre 1300 et 15009C. Pour les poches à quenouille classiques, il est pratiquement impossible de dépasser - une température de préchauffage de 5000 et à cette température la perte thermique pendant le traitement, notamment de dégazage, reste très importante. En équipant la poche d'une fermetmeàbusette coulissante, le préchauffage à haute température devient possible. Ce chauffage peut être réalisé avec un brûleur à gaz riche ou à fuel, sans utilisation d'oxygène, et on obtient facilement une température de 14000/14300; en utilisant un brûleur oxygène-gaz ou oxygène-fuel, on peut monter à I5000/I6000.Le chauffage de la poche qui se fait normalement en position verticale est grandement facilité par la présence d'un couvercle qui restera avantageusement en place depuis le début de la mise en préchauffage Jusqu'à la fin de la coulée en lingotières; pendant l'opération de mise sous vide de la poche, Si celle-ci est effectuée, ce couvercle contribuera efficacement 9 réduire les pertes thermiques et à protéger l'installation contre les méfaits d'un rayonnement intense du métal liquide en intense agitation. La poche utilisable dans le procédé de l'invention peut être de tout type quelconque approprié pourvu qu'elle soit munie d'un dispositif de coulée à fermeture coulissante permettant d'en éva cuer- le métal après traitement, les dispositifs avec obturation de la busette de coulée par une quenouille ou moyen analogue étant exclus. On peut notamment, dans le cas des traitements sous vide ou sous atmosphère réglée, utiliser une poche placée sous caisson, c' est-à-dire une poche non étanche au vide placée dans une enceinte où on fait le vide. On utilisera également avantageusement une poche-caisson à fermeture coulissante du type décrit dans la demande de brevet en France déposée-par la Demanderesse le 8 Janvier I970 sous le NO 70.00579. Le brassage du métal dans la poche peut être réalisé par introduction de gaz à partir du fond de celle-ci à partir de briques poreuses ou analogues suivant les procédés Gazal ou Gazid, ou bien par des moyens électromagnétiques, par induction notamment. Les résultats d'essais donnés au Tableau I ci-dessous permettent de se rendre compte de l'intérêt majeur procuré par le préchauffage de la poche de coulée à haute température dans le cas d'un traitement sous vide. TABLEAU I Coulées de 60 Tonnes Poche froide : Poche : Poche ou préchauffée préchauffée préchauffée à 300 à 1000 à 1400 Chute de température four-poche de coulée avant mise sous vide : 350 : 230 : I5 Chute de température pendant un traitement sous vide de 12 minutes 78 42 27 Chute totale four-poche en fin de traitement : 113 C : 65 C : 420C Si on prend, à titre d'exemple, le cas d'un acier 1/2 dur titrant 0,40 % C et 0,70 % Mn et demandant en fin de traitement sous vide une température de 1545 nécessaire pour assurer une mise correcte en lingotières classiques, on observe ce qui suit: a) Température du métal au four en élaboration classique sans dégazage 1590 b) Avec dégazage de I2 min. Surchauffe dans une poche froide I5450+II30 = 1658 par rapport à (a) de 68 c) Avec dégazage de I2 min. dans une poche préchauf fée à 1400 1545 + 42 = 1587 nulle Dans le cas de la coulée continue, l'intérêt du préchauffage de la poche à haute température est encore plus marqué . Avec le même acier 1/2 dur au carbone que-ci-dessus, on aboutit aux chiffres du Tableau II suivant TABLEAU II Coulée de 60 T. Coulée de 60 T. Métal traité sous : Métal traité sous :vide en poche froi-: vide en poche de ou faiblement préchauffée à 1400 préchauffée (300 ) suivant l'invention Température visée dans le répartiteur de cou lée continue : 1535 : 15350 # T poche-répartiteur : 60 . 60 # T traitement sous vide: de I2 minutes : 78 : 27 LST" four-poche avant traitement : 35 : I5 Température nécessaire au four : I708 C : I637 C Cette température dépassant I7000 est très dangereuse pour le four, alors qu'avec une poche préchauffée à 1400 on reste à une température d'élaboration très raisonnable. Grâce au pré chauffage de la poche de coulée à haute température suivant l'invention, il devient possible de préchauffer également dans la poche à la même température les ferro-alliages tels que le ferro-manganèse et le ferro-chrome. Ce préchauffage permet d'emmagasiner dans la poche de coulée une quantité importante de calories et la réalisation par traitement sous vide d'une très vaste gamme d'aciers au carbone et d'aciers faiblement, moyennement et hautement alliés devient possible en partant d'un acier extra doux brut d'affinage élaboré au four n'ayant reçu aucune addition d'alliage ou de calmant. L'avantage apporté par un tel procédé est manifeste : il permet, en effet, d abréger considérablement le-temps d'élaboration au four et donc d'en améliorer très fortement la productivité, et ce d'autant plus que le métal à élaborer est plus chargé-en éléments d'alliage. C'est ainsi que, pour un four électrique- à arc équipé d'un transformateur de très haute puissance, soit 60o KVA/Tonne, la production horaire augmente environ 50 % % par rapport au procédé conventionnel dans la fabrication d aciers moyennement alliés, tel qu'il ressort des chiffres du Tableau III suivant TABLEAU III : Elaboration : Elaboration : conventionnelle suivant l'invention Coulée de 60 T. : avec ou sans (poche pré chauffée : dégazage : à I4000) Fusion 1 1 h 10 min. : 1 h 10 min. Chargement+réparation de sole 30 min. : 30 min. Affinage : 30 min. : 25 min. Décrassage 10 min. 10 min. Suraffinage : I h 10 min. : O min. Durée totale de coulée à : 3 h 30 min. 2 h 15 min. coulée Production horaire 17T2 26T6 Augmentation de production horaire 54 % Le procédé de l'invention avec préchauffage de la poche et des éléments d'alliages contenus dans celle-ci qui bouleverse profondément la fabrication des aciers nobles, va dans le sens de l'automatisation du processus d'élaboration dessaciers nobles, soit au four électrique à arc, soit au convertisseur à oxygène pur, puisqu'il permet d'elaborer au four un acier extra-doux qui sera pratiquement le même quelle que soit la nuance d'acier finale désirée. Le traitement sous vide en poche permettra, comme connu en soi, de réaliser la mise à la nuance, la déshydrogénation, la désoxydation poussée du métal et l'homogénéité chimique et- thermique. Les Exemples 1 à 3 suivants illustrent ce mode de mise en oeuvre pour des coulées de 60 tonnes. Exemple 1 - Elaboration d'un acier ayant la composition suivante (en % en poids) C Mn Cr Si S et P Al 0,10/0,15 0,75/0,90 1,5/2,0 0,10/0,20 # 0,030 0,010/0,030 Au four, on procède d'abord à l'élaboration rapide d'un acier extra-doux titrant C Mn Si-Al Cr 0,05 % 0,07 % traces 0,15 On introduit cet acier doux dans une poche de coulée préchauffée à 1400 C avec l'ensemble des additions de ferro-chrome et de ferro-manganèse, soit 4 % du poids de la coulée. Lors de la coulée en poche, on calme le métal avec 0,23 % d'aluminium et 0,25 X de ferro-silicium à 75 %. On effectue un traitement sous vide en poche de 11 minutes. L'évolution de la température est la suivante - Température au four : I6050 - Température en poche après 11 min.de dégazage:15700 A titre de comparaison, la température au four en élaboration classique sans dégazage est de I6300. La ventilation de la chute de température entre four et poche de coulée après dégazage est la suivante # T four-poche avant traitement + 15 # T traitement sous vide (11 min.) + 250 # T désoxydation du métal à l'aluminium - 30 # T fusion du ferro-chrome préchauffé + 10 # T dissolution du chrome + 10 # T fusion du ferro-manganèse préchauffé + 5 T total + 650 - 30 = 350 Exemple 2 - Elaboration d'un acier à 5% de Cr- Coulée de 60 tonnes Le métal a la composition suivante (% en poids) C : Mn : Cr : Mo : Si : S et r 0,06/0,10 0,45/0,60 5,0/6,0 0,50/0,65 0,20/0,30 0,030 Au four, on él-abore d'abord un acier extra-doux dont la composition est (% en poids) C Mn Si-Al Cr Mo 0,05 0,07 traces 0,20 0,57 On introduit l'acier doux dans une poche de coulée préchauffée à 14000 avec l'ensemble des additions de ferro-chrome et de silicomanganèse, soit: - Ferro-chrome à 70% de Cr 8,1 % - Silico-manganèse à 66 % Mn et 25 % Si 0,8 % - Ferro-silicium 75 % 0,3 % 9,2% On traite ensuite sous vide en poche pendant 11 minutes. L'évolution de la température est la suivante Température au four : 1644 Température après dégazage : 15650 A titre de comparaison, la température au four en élaboration conventionnelle sans dégazage est de 1630 . La ventilation de la chute de température est la suivante # T four-poche + 15 # T traitement sous vide de 11 min. + 25 # T désoxydation du métal par l'aluminium - 300 # T fusion du ferro-chrome + 33 dissolution du chrome + 31 # T fusion du silico-Mn + 5 # T Total 109 - 30 = + 79 Exemple 3 - Elaboration d'un acier dur au chrome-manganèse-molybdène ayant la composition suivante(% en poids) C Mn Cr Mo Si S P 0,40/0,45 0,70/0,85 1/1,20 0,20/0,30 0,25/0,35 #0,030 #0,025 Coulée de 60 tonnes Au four, on effectue d'abord une élaboration rapide d'un acier extra-doux titrant (% en poids) C Mn Si-Al Cr Mo S P 0,05 0,06 traces 0,10 0,26 #0,030 #0,015 On l'introduit dans une poche de coulée préchauffée à 14000 contenant les additions suivantes: - ferro-chrome à 3% C et 70%Cr : 1,6 % - ferro-manganèse carburé 1,1 % - ferro-silicium à 75 % : 0,45% préchauffés avec la poche On utilise également - graphite de recarburation : 0,30 % On effectue un traitement sous vide en poche de IO minutes. L'évolution de la température est la suivante - au four - après traitement sous vide 1545 A titre de comparaison, la température au four en élaboration classique sans dégazage est de I5900. La ventilation de la chute totale de 45 est la suivante # T four-poche avant traitement + 15 A T traitement sous vide + 23 # T désoxydation du métal par l'aluminium - 30 a TO fusion du ferro-chrome + 6 dissolution du chrome + 6 fusion du ferro-manganèse + 70 # T dissolution et variation d'enthalpie du carbone + 18 # T Total 75 - 30 = + 45 I1 est important de souligner que la durée de traitement en poche par brassage est indépendante de la masse d'alliages à incorporer au métal de base: en effet, ces alliages étant préchauffés à haute température, leur dissolution dans le métal est très rapide. Lorsque le pourcentage d'alliages à incorporer au métal extradoux de base est inférieur à 2 %, il n'est pas nécessaire de les préchauffer dans la poche: leur addition se fait alors à l'état froid au moment de la coulée du four. Les exemples 4 et 5 illustrent ce mode de mise en oeuvre. Exemple 4 - Elaboration d'un acier 1/2 doux au manganèse titrant en en poids) C Mn Si S et Ph Al 0,15/0,20 0,95/1,15 0,10/0,20 #0,030 0,020/0,050 Au four, on prépare d'abord un métal ayant la composition suivante (% en poids): C Mn Si-Al S P 0,05 0,07 traces On introduit ce métal dans une poche de coulée pré chauffée à 1400 . A la coulée du four, on ajoute dans la poche (en poids) - ferro-manganèse carburé 1,4 % - graphite de recarburation 0,06 % - ferro-silicium à 75 % 0,35 % - aluminium 0,23 % L'évolution de la température est la suivante T four 1595 T après IO min. de dégazage en poche: 15600 A titre de comparaison, la température au four en élaboration conventionnelle sans dégazage est de 1600 . La ventilation de la chute de température de 35 entre four et poche après traitement est la suivante # T four-poche avant dégazage + 15 OTO désoxydation du mé tal par l'aluminium - 30 # T traitement sous vide + 220 # T fusion du ferro-Mn + 25 # T dissolution et varia tion d'enthalpie du carbone + 3 # T total 65 - 30 = 35 Exemple 5 - Elaboration d'un acier dur au carbone titrant (% en poids) C Mn Si S P Al 0,45/0,50 0,65/0,80 0,20/0,30 Au four, on élabore d'abord un acier extra-doux ayant la composition suivante (en poids):: C Mn Si-Al S P 0,05 0,07 traces On introduit ce métal dans une poche de coulée préchauffée à 1400 et on le traite sous vide pendant 10 minutes. A la coulée en poche, on ajoute (en poids) - ferro-manganèse carburé : 0,95 % - graphite de recarburation : 0,40 % - ferro-silicium à 75 % : 0,40 % - aluminium 0,19 % L'évolution des températures est la suivante T four 1585 T en poche après traitement sous vide 1540 A titre de comparaison, la température au four en élaboration classique sans traitement sous vide est de 1585 La ventilation de la chute de température est la suivante # T four-poche + 15 # T désoxydation du métal par l'aluminium - 350 # T traitement sous vide + 22 # T fusion du ferro-Mn + 170 # T dissolution du carbone et sa variation d'enthalpie + 24 # T total 78 - 35 = 43 REVENDICATIONS 1 - Un procédé perfectionné d'élaboration d'acier en poche pré chauffée à la pression ordinaire, sous vide ou sous atmosphère réglée avec dégazage, brassage et/ou addition d'éléments d'alliages caractérisé en ce qu'on effectue le traitement de l'acier liquide dans une poche munie d'un dispositif d'évacuation à fermeture coulissante et qui a été préchauffée à une température d'au moins 1000 C avant l'introduction de l'acier dans la poche. 2 - Un procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on préchauffe la poche à une température comprise entre 1300 et 15000 C environ. 3 - Un procédé suivant la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on introduit dans la poche préchauffée un acier extra-doux brut d'affinage qu'on amène à la nuance finale désirée par mélange avec des éléments d'alliage dans ladite poche. 4 - Un procédé suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'on préchauffe les éléments d'alliage dans la poche en mEme temps que celle-ci et on introduit ensuite l'acier extra-doux provenant du four. 5 - Un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise une poche non étanche au vide placée dans une enceinte où l'on peut faire le vide. 6 - Un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise une poche-caisson étanche.