Brevet FR2138077A1 — publié le 19721229

lia présente invention porte sur un procédé pour la fabrication dé "lingots de grande longueur à partir d'aciers et d'alliages métalliques au moyen du procédé connu de refusion électrique sous laitier. 5 Dans le cadre du présent mémoire, les lingots longs sont des lingots dont la longueur est au moins égale au triple du diamètre du lingot lorsqu'il s'agit de lingots à section transversale circulaire. Lorsqu'il s'agit de lingots ayant des sections transversales de forme différente, par exemple, lingots plats ou XO lingots polygonaux, on prend comme base de calcul les diamètres équivalents correspondants. Le procédé de refusion électrique sous laitier est toujours recommandé lorsqu'on désire avoir des matériaux d'une qualité supérieure à celle qu'on peut obtenir avec des procédés usuels» 15 Cependant, la mise en oeuvre de ce procédé de refusion se heurte à un certain nombre de difficultés qui peuvent mettre en question le succès de ce procédé et, dans des cas extrêmes, peuvent donner naissance à des lingots inutilisables. Parmi ces difficultés, il faut compter la difficulté d'obtenir un degré de pu-20 reté suffisant, c'est-à-dire l'absence la plus grande possible d'-oligo-éléments non souhaitables, la difficulté d'obtenir une cristallisation primaire optimale et, finalement, lorsqu'il s'agit de la fabrication de lingots longs, le danger d'apparition de bandes de ségrégation lorsque pour former le lingot, on n'utilise pas 25 seulement une électrode de fusion unique, mais qu'on est obligé d'en utiliser plusieurs les unes après les autres. La présente invention ajpour objet un procédé au moyen duquel les difficultés dont il est question ci-dessus peuvent être surmontées d'une façon suffisante. Le procédé selon l'invention 30 se base sur l'observation qui a été faite, selon laquelle une importance décisive s'attache à la hauteur du bain de laitier, et indiquant qu'entre cette hauteur maximale admissible et le diamètre de la lingotière, il existe dans la zone intéressante au point de vue technique une corrélation qui peut être définie avec une 35 précision suffisante pour les applications pratiques. Cette zone peut être indiquée avec des diamètres de lingot compris entre environ 100 et 2500 mm. Le principe sur lequel il faut insister est que la qualité du matériau s'améliore avec la hauteur du bain de laitier. L'ex-40 périence montre que la purification du métal de ses oligo-éléments 72 1778k 2 2138077 indésirables, réalisée au moyen du laitier, est d'autant plus intensive que la bain de laitier est plus haut. On est en droit de penser que la raison de ce fait est que la goutte de métal qui s' échappe par fusion de la pointe de 1'électrode est purifiée pen-5 dant son passage dans le bain de laitier, d'autant plus fortement que le temps de séjour dans le bain est plus long. Plus le temps de séjour augmente, plus complètement se déroulent les réactions de purification métallurgiques. A cela s'ajoute le fait que l'augmentation des hauteurs de 10 bain de laitier a pour conséquence la formation d'un cratère liquide de forme de plus en plus aplatie. Vu en coupe verticale suivant des plans imaginaires passant par.l'axe du lingot, let cratère est comparable en forme à un segment de cercle, dont la corde peut être considérée comme une coupe passant par la surface limi-15 te entre le bain de laitier et le bain de métal fondu et dont 1' arc de cercle peut être considéré comme une coupe de la surface limite entre la phase métallique liquide et la phase métallique solide. Au fur et à mesure que la hauteur du bain de laitier augmente, le rayon d'arc de cercle de ce segment de cercle imaginai-20 re va donc grandir, c'est-à-dire que la forme du cratère liquide va s'aplatir. Ge phénomène est extrêmement souhaitable car il a pour conséquence une cristallisation primaire relativement uniforme sur la totalité de la section transversale, avantageuse au point de vue métallurgique. 25 Mais il n'est évidemment pas possible d'augmenter autant qu' on le veut la hauteur du bain de laitier. Ce qui est surprenant c' est que ceci n'est d'ailleurs nullement nécessaire pour obtenir des conditions optimales et même que l'augmentation de la hauteur 'de bain de laitier au-delà d'une mesure déterminée peut avoir des 30 suites désavantageuses. Ceci vaut en particulier lorsque, pour former le lingot, on ne fait pas fondre une seule électrode, mais plusieurs électrodes successivement. En principe, l'utilisation d'une électrode de fusion unique est parfaitement possible également pour fabriquer un lingot long, 35 mais cela suppose que cette électrode soit suffisamment longue. Il serait donc nécessaire d'avoir des électrodes extrêmement longues pour des lingots de grande longueur. Mais l'utilisation de telles électrodes de grande longueur forcerait à avoir des installations de grande hauteur qui sont très coûteuses et peuvent donc 40 mettre en question la rentabilité du procédé. C'est pour cette 72 17784 3 2138077 raison qu'on est obligé de faire fondre successivement plusieurs électrodes plus courtes. Après qu'une électrode a achevé sa fusion, le résidu d'électrode est retiré du bain de laitier et remplacé par une électrode neuve. Cette opération provoque une inter-5 ruption de'l'arrivée d'énergie au bain de laitier, ce qui peut se répercuter de façon désavantageuse sur les processus de cristallisation. On a observé que, même si on utilise des conditions de refusion plus favorables en soi au point de vue métallurgique, qui permettraient donc d'obtenir des lingots donnant entièrement sa-10 tisfaction" en utilisant une seule électrode de refusion, il se produirait des zones de ségrégation caractérisées dans le lingot de refusion lors du remplacement d'électrode. Ces zones de ségrégation apparaissent aux endroits qui correspondent à la limite de phase entre le métal solide et le métal liquide au moment de l'in-15 terruptiô'n de l'opération de refusion à la suite du changement d'-élëctrode. Des lingots présentant de telles zones de ségrégation ne sont pas utilisables pour des conditions d'utilisation très sévères et vont souvent au rebut. A l'aide des mesures proposées par l'invention, il est ce-20 pendant possible, malgré des hauteurs de laitier suffisantes et malgré l'utilisation de plusieurs électrodes de fusion mises en oeuvre successivement, de fabriquer des lingots sans défaut au point de vue métallurgique. De nombreuses expériences ont montré que la hauteur de bain de laitier maximale admissible peut être 25 mise en relation d'une façon simple à l'intérieur d'une certaine zone avec le diamètre de la lingotière, cette relation étant : HmaT enTD ÏÏ1SX Dans cette relation H signifie, en centimètres, la hau- ma* teur de bain de laitier maximale admissible jusqu'à laquelle on 30 évite des effets désavantageux sur la structure du lingot lors du changement d'électrode, D est le diamètre de la lingotière en cm et E est un facteur qui, suivant les expériences effectuées peut être compris entre 0,9 et 1,8. Avec des lingotières à grand diamètre la valeur optimale 35 de I se trouve à la limite inférieure de la fourchette indiquée ci-dessus et,avec les lingotières de petit diamètre, à sa limite supérieure. Un autre point remarquable essentiel du procédé selon l'invention est que dans aucun cas la hauteur du bain de laitier ne descend en-dessous de 4 cm et que la durée du changement d'é-40 "lec4:rode; "n'e "dépasser pas 150 secondes*. 72 17784 4 2138077 L'invention vise donc un procédé pour la fabrication de lingots longs en acier et en alliage métallique au moyën du procédé de refusion électrique sous laitier, dans lequel on fait fondre au moins deux électrodes successivement pour former un lingot ; 5 ce procédé est caractérisé par l'invention en ce qu'on opère avec une hauteur de bain de laitier qui est égale au plus à 0,9 à 1,8 fois la racine carrée du diamètre de la lingotière en centimètres, la plus faible hauteur de bain de laitier ne descendant pas en-dessous de 4 cm et le changement d'électrode s'effectuant en un 10 laps de temps d'au plus 150 secondes» Les dispositifs adaptés à permettre de procéder au changement d'électrode dans le laps de temps donné, font partie de l'état de la technique et ne font donc pas partie de la présente invention. 15 La sûreté de fonctionnement du procédé recommandé peut enco re être augmentée notablement grâce au fait que l'extrémité de 1' électrode de remplacement destinée à être plongée dans le bain de laitier est, avant d'être plongée, portée au préalable à une température comprise entre 300 et 900°0 et, de préférence, entre 20 500 et 700°C. Le pré-chauffage ayant pour but de porter l'électrode aux températures indiquées doit s'effectuer sur une longueur de l'électrode au moins égale à la profondeur d'immersion dans le bain de laitier. Exemples de réalisation. 25 Dans une installation de refusion industrielle, on fait re fondre un lingot d'acier X 38 CrMoV 5 1 ayant un diamètre de 100 cm, avec changement d'électrode, les extrémités d'électrode étant portées à la température de 600°C avant d'être plongées dans le bain de laitier. Le lingot refondu avec une hauteur de bain de 30 laitier traditionnelle de 26 cm a été constitué à partir de trois électrodes ayant chacune un poids de 6 t et un diamètre de 60 cm. Chaque électrode avait 2,7 m de long. La durée du changement d'électrodes était de 80 secondes. La longueur du lingot de refusion était de 3 m. On a obtenu de cette façon un lingot de 18 tonnes. 35 Ce lingot en acier pour travail à chaud X 36 CrMoV 5 1 a été transformé sur une presse à forger en barre forgée carrée de 500 mm qui était destinée à fabriquer des outils pour le travail à.chaud. Un contrôle aux ultra-sons de la barre .forgée a montré par endroits des emplacements défectueux qui interdisaient l'utilisation du ma-40 tériau pour le but prévu. En fractionnant la barre et en étudiant 72 17784 5 2138077 avec précision ies indications fournies par le contrôle aux ultrasons, on a constaté des bandes de ségrégation caractérisées avec des séparations de matériau qui étaient à rapporter au processus de forgeage. les zones de ségrégation déterminées au mo-5 yen de plusieurs disques de décapage s'étendent, en raison de la déformation sensiblement quadruple de la barre forgée, sur une • longueur de près de 2 m. En partant de la forme sous laquelle se présentaient les défauts on a pu en déduire qu'il s'agissait là de zones de ségrégation qui s'étaient formées par suitë de l'in-10 terruption du processus de fusion pendant le changement d'électrodes. Des essais faits pour agir sur ces phénomènes de ségrégation en modifiant les paramètres opérationnels n'ont donné aucun résultat, que ce soit en faisant varier l'énergie de fusion, le 15 diamètre des électrodes, l'intensité du courant ou la tension» Ce n'est que lorsqu'on a diminué la hauteur du bain de laitier, ce qui pouvait faire craindre de devoir accepter d'autres importants inconvénients métallurgiques, qu'on a obtenu de façon surprenante un succès optimal. En même temps que disparaissaient 20 les zones de ségrégation, on a constaté contre toute attente que les autres avantages métallurgiques n'étaient affaiblis que d'une . - façon'insignifiante comme le montrent les expériences décrites ci-après. Afin de maintenir la dépense pécuniaire pour ces essais 25 dans des- limites acceptables, ils ont été effectués sur des lingots de petit diamètre (30 centimètres). Un lingot a été constitué avec une'hauteur de bain de laitier de 24 cm et un taux de fusion de 228 kg/h, en procédant à plusieurs changements d'électrode. Pendant chaque changement d'électrode ^arrivée d'énergie au -30 bain de.laitier, a été interrompue pendant 60 secondes. A l'état moulé, le'lingot a été partagé le long de son axe longitudinal et soumis à un essai au mordant chaud, les disques d'attaque à chaud montraient aux endroits où avait été effectué le changement d'électrodes des bandes de ségrégation caractérisées qui 35 - présentaient la'forme du cratère.liquide (figure l). Sur ce lingot ont été prélevés des échantillons dans la zone de la* structure de lingot normale et aussi aux emplacements de ségrégation et - ces-échantillons ont été étudiés à l'aide de la microsonde à ; faisceau électronique. On a alors constaté que le degré de ségré-40. • gation1du molybdène, exprimé par le rapport entre la concentra- 72 17784 6 2138077 tion maximale dans les zones interdendritiqu.es et la concentration minimale sur les axes de dendrites était de 2,70 d'ans les zones de structure normale du lingot, tandis qu'aux endroits présentant une ségrégation on a trouvé une. valeur de'4,40 qui est anormale 5 et extrêmement défavorable pour cet acier. Un deuxième lingot de même diamètre du même acier a été refondu avec un bain de laitier dont la'hauteur était seulement de 8 cm et avec un taux de fusion de 225 kg/&= Avec ce lingot on a également procédé à plusieurs changements d'électrode ayant une 10 durée de 60 secondes. Le lingot à été ensuite partagé le long de l'axe longitudinal. Les disques d'attaque à chaud prélevés ont manifesté, même à.1'endroit de changement d'électrode, une structure sans défaut comme le montre la figure 2. Une vérification de la ségrégation du molybdène effectuée à l'aide de la microsonde a 15 donné une valeur de 2,75 dans les zones de structure de lingot normale et une valeur pratiquement identique de 2,63 à l'endroit du changement d'électrode. Ce^résultat inattendu a pu être confirmé au cours d'une série d'autres expériences. En se basant sur le résultat satisfaisant décrit ci-dessus 20 fût effectué un essai supplémentaire pour fabriquer un lingot de 100 cm de diamètre de l'alliage X 38 CrMoV 5 1. On a choisi dans ce cas pour le bain de laitier une hauteur de 14 cm et on a utilisé comme électrodes de fusion plusieurs lingots fondus, d'un poids de 6 t et de 60 cm de diamètre. Le lingot formé a été ensuite sou-25 mis à une déformation quadruple par forgeage et ensuite contrôlé par ultrasons. Le résultat de ce contrôle a donné un résultat entièrement satisfaisant» Le procédé selon l'invention ne se limite pas à la fabrica-' tion d'aciers pour travail à chaud du type X 38 CrMoV 5 1 mais 30 peut, être utilisé d'une façon toute aussi avantageuse pour n'importe quelle autre qualité d'acier ou pour des alliages métalliques. 72 17784 7 2138077 BBYBNBIOATIONS 1.- Procédé pour la fabrication de lingots longs en acier et en alliage métallique au moyen du procédé de refusion électrique sous laitier, dans lequel on fait refondre successivement au moins deux électrodes pour constituer le lingot, caractérisé en 5 ce qu'on opère avec une hauteur de bain de laitier qui est au plus égale à 0,9 à 1,8 fois la racine carrée du diamètre de la lingotière en centimètres, la plus faible hauteur de bain de laitier ne descendant pas en dessous de 4 cm et le changement d'électrodes étant effectué dans un laps de temps qui ne dépasse pas 10 150 secondes 2.- Procédé selon la revendication 1 pour la fabrication de lingots d'acier, caractérisé en ce que, avant d'être plongée dans ie bain de laitier, l'extrémité de l'électrode destinée à y être plongée, est portée à une température comprise entre 300 et 900°C, 15 de préférence entre 500 et 700°C, au moins sur une longueur correspondant à la profondeur d'immersion»