Brevet FR2194783A1 — publié le 19740301

La présente invention se rapporte à un procédé de nitruration d'acier en fusion lors de l'élaboration d'acier par soufflage d'oxygène au-dessus de la surface du bain de métal en fusion, notamment pour produire des qualités calmées pour emboutissage et des aciers de construction à grain fin, faisant appel à de l'oxygène ultra-pur pour le soufflage. I1 est connu que la teneur en azote d'un acier influe sur les caractéristiques mécaniques, en particulier sur la ductilité et la résistance à la traction de l'acier. Cela est dd au fait qu'en présence d'azote, des nitrures de métaux difficilement solubles précipitent sous forme finement divisée dans la masse de base d'acier, ces nitrures agissant à la manière de germes de cristallisation, de sorte que 1' acier reçoit une structure cristalline à grain particulièrement fin.Les nitrures de métaux donnant lieu à une telle cristallisation sont, par exemple, les nitrures des métaux aluminium, béryllium, niobium, titane, zirconium ou vanadium, Ces métaux peuvent, soit exister déåà dans la fonte à affiner, soit Qtre ajoutées en cas de besoin à l'acier en fusion. Pour augmenter la teneur en azote d'acier en fusion, il est connu, suivant l'étant de la technique, d'introduire l'azote directement dans l'acier en fusion après l'affinage. En outre, il est connu d'introduire l'azote indirectement dans le bain d'acier en fusion, en ajoutant l'azote à l'acier en fusion sous la forme t'additions cédant de l'azote ou également sous forme de gaz. A ce sujet, on connatt un procédé dans lequel on insuffle des composés cédant de l'azote, au moyen d1une lance, dans la zone entre la couverture de scories et la surface du bain d'acier, l'azote étant utilisé comme gaz vecteur pour les composés cédant de l'azote. Les procédés indirects de nitruration d'acier en fusion présentent l'inconvénient que le faible taux de conversion d'azote implique des durées de traitement relativement longues. Dans les procédés directs suivant lesquels de l'azote gazeux pur est insufflé au moyen d'une lance immergée dans le bain d'acier ou depuis le bas dans le bain d'acier, le taux de conversion de l'azote est également relativement faible du fait que l'azote a un comportement inerte vis-à-vis de l'acier en fusion.Pour intensifier la conversion d'azote dans ce procédé, il a été en outre déjà proposé d'utiliser des lances immergées de façon particulièrement profonde dans le bain de métal, ou d'introduire l'azote gazeux sous la forme de bulles particulièrement nombreuses à travers une plaque poreuse dans le bain d'acier, afin de prolonger la durée de séjour du gaz dans l'acier en fusion et d'agrandir la surface de contact du gaz avec l'acier en fusion. I1 est vrai que ces dispositions permettent de réduire la durée de traitement, mais elles impliquent la mise en oeuvre d'un appareillage considérable. Suivant l'état de la technique, il est également connu, lors de l'affinage au vent, de coordonner la nitruration de l'acier en fusion avec le processus d'affinage. A ce sujet, il a été proposé d'élever la teneur finale en azote à la valeur nécessaire en procédant à un sursoufflage de la charge, en utilisant de l'air comme gaz d'affinage. En outre, lors de l'utilisation d'un convertisseur à soufflage par le fond, il a déjà été proposé d'amener au métal en fusion, au moyen d'une soufflerie, pendant l'ensemble du processus d'affinage, un mélange oxygène-azote en tant que gaz d'affinage, la teneur en azote de ce mélange étant comprise entre 10 et 30 %. Les deux procédés cités en dernier lieu présentent l'inconvénient que l'azote est présent pendant l'ensemble du processus d'affinage, ce qui fait que le processus d'affinage lui-m8me peut être altéré. En outre, suivant ces procédés, la quantité totale de l'apport d'azote est fonction de la durée du processus d'affinage qui peut tre différente d'une charge à l'autre, ce qui fait qu'il est difficile d'établir avec précision la teneur finale recherchée en azote. Lors de l'affinage au vent, notamment au vent enrichi en oxygène, la conversion de l'azote est en outre relativement faible, du fait qu'un film d'oxyde empêchant le passage de l'azote dans l'acier en fusion se forme après peu de temps à la surface des bulles du gaz d'affinage. La présente invention vise un procédé de nitruration d'acier en fusion lors de l'élaboration d'acier suivant le procédé de soufflage d'oxygène au-dessus de la surface du bain de métal en fusion, ce procédé permettant d'établir avec une grande précision la teneur finale en azote de l'acier en fusion en n'exigeant, ni des dispositifs de traitement supplémentaires, ni des durées de traitement supplémentaires. Avec le programme de production usuel dans une aciérie avec affinage par soufflage, programme qui implique une alternance permanente entre des qualités effervescentes et des qualités calmées, l'installation de production d'oxygène devrait produire de l'oxygène de grande pureté pour les qualités effervescentes et de l'oxygène de moindre pureté pour les qualités calmées . Par conséquent, il serait nécessaire, à chaque changement de qualité d'acier, de modifieren conséquence la pureté de l'oxygène produit par l'installation, ce qui serait onéreux. La présente invention vise donc, en outre, à mettre en oeuvre le procédé de nitruration d'acier en fusion avec utilisation d'une installation d'une production d'oxygène fournissant en permanence de 1' oxygène ultra-pur. L'objet de l'invention est un procédé de nitruration d'acier en fusion lors de l'élaboration d'acier suivant le procédé d'affinage par soufflage d'oxygène au-dessus de la surface du bain de métal en fusion, notamment pour produire des qualités calmées pour emboutissage et des aciers de construction à grain fin, faisant appel à de l'oxygène ultra-pur pour le soufflage, ce procédé étant caractérisé Rar le fait qu'on ajoute à l'oxygène utilisé pour le soufflage, au cours de la dernière période du processus de soufflage, Jusqu'à 6 % d'azote gazeux (N2). Le procédé conforme à l'invention présente l'avantage qu'en dehors d'un réservoir sous pression pour l'azote gazeux et des éléments de robinetterie correspondants pour ajouter l'azote à l'oxygène, il n'est pas nécessaire de faire appel à d'autres dispositifs supplémentaires. Par conséquent, il n'y a pas lieu de procéder à des travaux de transformation dans le cas où il s'agit d'affiner dans un convertisseur successivement des charges avec et sans nitruras tion. Bu fait que la nitruration a lieu pendant le processus d'affinage, à savoir vers la fin de ce dernier, des durées de traitement supplémentaires ne sont pas nécessaires non plus. I1 s'est avéré que la conversion d'azote a lieu suivant une relation qui est une fonction continue de la quantité d'azote ajoutée et de la durée pendant laquelle est ajouté l'azote, de qui faitqtefLoyennant une variation corresponda=te de la qUantité d'azote ajoutée et/ou de la durée pendant laquelle l'azote est ajouté , il est possible d'établir avec précision la teneur finale recherchée en azote. Dans le procédé conforme à l'invention, le taux de conversion d'azote est étonnamment élevé.Des recherches faites dans ce sens ont démontré que cela est très vraisemblablement dA au fait que, suivant le procédé conforme à l'invention, l'azote entre en contact avec la surface de l'acier en fusion dans la zone de l'impact du jet d'oxygène sur la surface du métal en fusion, où règnent des températures extrtmement élevées par suite de la réaction de l'oxygène avec le métal en fusion et où des films d'oxyde gênant la conversion d'azote ne peuvent pas s'établir, par suite de l'effet d'agitation dA au jet de soufflage. On a pu constater que la conversion de l'azote est à peu près du meme ordre de grandeur que celle de l'oxygène. On ajoute de préférence l'azote gazeux (N2) pendant le dernier tiers du processus de soufflage, et on réduit, pendant cette période ou pendant une partie de cette période, la distance entre l'orifice de la lance de soufflage et la surface du bain. Cette manière de procéder a permis d'obtenir les meilleurs résultats. On ajoute avantageusement l'azote gazeux (N2) à l'oxygène dans ou en amont de la lance de soufflage. On va décrire cibaprès plus en détail, à l'aide de plusieurs exemples, le procédé conforme à l'invention. Lors de l'4laboration d'acier suivant le procédé LD, on a réduit, sur sept charges au total, le degré de pureté de l'oxygène de soufflage pendant les dernièresmi- nutes du processus de soufflage de 99,6 % à 94,6 % en ajoutant de l'azote gazeux. Des diagrammes de déroulement de l'affinage des différentes charges sont représentés sur les figures 1 à 7. Ces diagrammes indiquent les quantités de fonte, de ferrailles et de CaF2 entrant dans la charge, les durées et les quantités d'apport d'oxygène, d'azote, de minerai et de chaux, ainsi que les distances auxquelles l'orifice de la lance se trouve au-degsus du bain pendant les différentes périodes.Les durées et les quantités d'apport d'azote ainsi que les résultats de nitruration des différentes charges sont réunis sur le tableau ci-joint qui donne également des indications quant au type des lances utilisées, à la durée totale de soufflage, à la durée de soufflage avec addition de N2 , aux quantités d'azote ajoutées par unité de temps, aux quantités totales d'azote ajoutées,au degré de pureté de l'oxygène pendant l'addition de N2 , à la teneur en azote de la fonte de la charge et à la teneur en azote de l'acier nitruré. I1 apparat, à la comparaison des velours des deux dernières colonnes du tableau, que le procéd & conforme à l'invention donne lieu à une nitruration considérable de l'acier. T A B L E A U Charge Lance Durée de Durée de Quantité Quantité % O2 pendant % N dans % N dans soufflage soufflage N2 totale fonte acier N addition de avec addi- N2 (échantil N2 (mn) tion de (Nm3/mn) lon de (Nm3) N2 (mn) poche) 1 3 trous 20,8 5,8 27 157 94,6 0,0041 0,0076 2 3 " 18,3 4,3 27 116 94,6 0,0034 0,0067 3 3 " 19,4 5,2 13 68 97,2 0,0021 0,0058 4 6 trous 16,8 4,8 10 48 97,8 0,0023 0,0051 5 6 " 18,1 7,2 10 72 97,8 0,0023 0,0049 6 6 " 18,1 6,2 10 62 97,8 0,0028 0,0063 7 6 " 17,5 4,7 10 47 97,8 0,0019 0,0047 En outre, par des essais, on a déterminé la relation entre la teneur finale en azote et la durée de soufflage à l'oxygène enrichi en azote avant la fin du soufflage, ainsi que la teneur en azote du mélange oxygène-azote utilisé avant la fin du soufflage. les résultats de ces essais sont représentés de façon graphique sur la figure 8. Comme l'indiquent les deux courbes tracées sur la figure 8, la teneur finale en azote augmente de façon continue pendant toute la durée de soufflage avec de l'oxygène enrichi en azote avant la fin du soufflage, et les courbes s'aplatissent au fur et à mesure que la durée de soufflage augmente, ce qui permet de conclure que l'on se rapproche d'un équilibre de saturation. Comme on pouvait s'y attendre, la teneur finale en azote de l'acier augmente également avec l'accroissement de la teneur en azote du mélange de gaz utilisé vers la fin du soufflage. La dispersion des valeurs de la teneur finale en azote de l'acier est d'environ 0,001 * lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, ce qui permet d'établir avec une précision suffisante la teneur finale recherchée en azote de l'acier à élaborer. REVENDICATIONS le Procédé de nitruration d'acier en fusion lors de l'élaboration d'acier par soufflage d'oxygène audessus de la surface du bain de métal en fusion, notamment pour produire des qualités calmées pour emboutissage et des aciers de construction à grain fin, faisant appel à de l'oxygène ultrapur pour le soufflage, caractérisé par le fait qu'on ajoute à-ltoxygène utilisé pour le soufflage, pendant la dernière période du processus de soufflage, jusqu'à 6 % d'azote gazeux (N2). 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on ajoute l'azote gazaux (N2) pendant le dernier tiers du processus de soufflage. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'on réduit la distance entre l'orifice de la lance de soufflage et la surface du bain pendant qu'on ajoute l'azote gazeux (N2). 4. Procédé suivant la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'on réduit la distance entre lori- fice de la lance de soufflage et la surface du bain pendant une partie de la période d'addition de l'azote gazeux (N2). 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on ajoute l'azote gazeux (N2) dans la lance de soufflage. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on ajoute l'azote gazeux (N2) en amont de la lance de soufflage.