Brevet FR2187921A1 — publié le 19740118

L'invention concerne un dispositif et un procédé pour produi- re, par un traitement sous vide des aciers à faible teneur en carbone et à forte teneur en chrome. Un procédé de ce genre est connu par le brevet allemand 1 783 055. On y désulfure tout d'abord dans une poche de coulée un acier fondu au four électrique, ayant sensiblement la teneur désirée en chrome et une teneur élevée en carbone, puis on le traite au moyen d'une installation de dégazage à circulation D Pendant le dégazage, on insuffle de }'oxygène sur la masse en fusion dans la poche de coulée pour abaisser la teneur en carbone .Ce mode opératoire permet de mettre de façon sûre l'oxygène en contact avec la masse fondue.Mais, quand on insuffle l'oxygène sur la masse en fusion, on dépasse au moins localement l'équilibre entre le chrome et 1' oxygène, ce qui conduit à une scorification du chrome. On éviterait cet inconvénient par le procédé du brevet allemand a 533 950 en insufflant de l'oxygène sur une masse en fusion riche en chrome et en carbone se trouvant sous vide dans un four. En raison du déplacement de l'équilibre C-O, par suite de la dépression vers des concentrations inférieures des corps participant à la réaction, au-dessous de l'équilibre de scorification du chrome, le carbone sert d'élément protecteur. Ce procédé présente un inconvénient par rapport à celui du brevet allemand 1 783 055 en ce qu'il faut évacuer la scorie avant de traiter la masse fondue, ce qui exige des moyens supplémentaires et rend nécessaire un four de fusion sous vide re lativement onéreux, par exemple un four à induction sous vide, pour terminer le traitement de la masse fondue.Ce four est en outre bloqué pendant la totalité de la production de la masse fondue, depuis la fusion Jusqu'à l'évacuation, tandis que, suivant le brevet allemand 1 783 055, on n'utilise un four à arc à grand rendement que pendant la période de fusion exigeant de l'énergie. Le procédé du brevet allemand 1 533 950 est, sous ce rapport, désavantageux pour la fabrication économique, sur une grande échelle, d'aciers à forte teneur en chrome. Rien n'est dit sur la façon d'insuffler l'oxygène qui assurerait unepénétration rapide, efficace et avec une faible perte, de l'oxygène dans la masse fondue. Partant de cet état de la tehcnique, ) 'invention vise, dans la production d'aciers à forte teneur en chrome et pauvres en carbone obtenus par fusion, par exemple dans un four à arc, d'aciers sous pression normale ayant une teneur élevée en carbone et en chrome, à amener de façon contrôlée et sans pertes l'oxygène d'affinage à la surface du bain d'acier dans des conditions telles qu'une décarburation rapide soit assurée en évitant une scorification du chrome. Suivant l'invention, on atteint ce but, avec un dispositif du type défini plus haut et qui comprend en combinaison : a) une installation, connue en soi, de dégazage par circulation, constituée par un récipient de réception de l'acier muni d'un tube d'entrée pourvu d'une entrée de gaz et un tube d'évacuation séparé du tube d'entrée; b) une lance d'insufflation pourvue d'une buse, refroidie par de l'eau et qui pénètre, de façon étanche au vide, dans le récipient de réception de l'acier, de façon que son axe soit dirigé sur l'acier se trouvant dans le récipient. On peut dans ce dispositif, en évitant lascorification du chrome, affiner de l'acier fondu par exemple dans le four électrique à arc sous forme d'acier à forte teneur en chrome et riche en carbone et soutiré pour être introduit dans une poche de coulée sans soutirer la scorie. La masse fondue pénétrant dans le récipient de réception de l'acier par le tube d'entrée est exempt de scorie sans que des mesures supplémentaires soient né pessaires. Grâce à l'insufflation de l'oxygène sur des portions de masse en fusion constamment renouvelées et pénétrant à l'état turbulent, qui sont ensuite évacuées, on insuffle sur une grande surface, à savoir la surface augmentée par la violente réaction d'ébullition, d'où il résulte une vitesse de réaction élevée.Grâce au transport rapide de la masse en fusion en dehors du récipient de réception de l'acier et à l'arrivée de portions constamment renouvelées de masse en fusion de plus en plus pauvres en oxygène provenant de la poche de coulée se trouvant sous l'installation de dégazage, on évite cependant une augmentation de la concentration, ayant pour conséquence la séparation d'oxydes de chrome. La dépression au point d'amenée de l'oxygène permet au carbone d'agir comme élément de protection pour le chrome. L'introduction, contrôlée et avec une faible perte, de l'oxygène dans la surface du bain de masse en fusion, sans aspiration de l'oxygène par les pompes de l'installation de dégazage, est rendue possible par le fait que la lance d'insufflation est constituée par une lance refroidie par de l'eau et pourvue d'une buse.La buse permet d'amener au bain le Jet gazeux d'af finage à 1' étant rassemblé et avec une énergie cinétique élevée. L'introduction d'une lance non refroidie, dont la combustion et l'obstruction partielles sont liées à la conséquence d'une déviation latérale du Jet et, dans l'ensemble, d'une amenée non fiable de l'agent d'affinage, entratne des pertes de cet agent et un mauvais rendement. Des essais systématiques faisant suite à des estimations théoriques ont montré qu'il est possible d'introduire sans danger d'explosion la lance d'insufflation refroidie par de l'eau dans l'espace intérieur, fermé et se trouvant à une température d'environ 1 6000C, du récipient de réception de l'acier de l'installation de dégazage. De façon plus détaillée, on peut avantageusement réaliser comme suit le dispositif L'intervalle entre la buse de la lance d'insufflation et le fond du récipient de réception de l'acier est avantageusement de 1,0 à 2,5 m. Pour une hauteur moyenne de remplissage du récipient de 40 à 50 cm, l'intervalle est alors de 0,5 à 2,0 m. Âvec cet intervalle, on obtient que l'oxygène insufflé vienne frapper la masse en fusion uniformément et efficacement. La lance est en même temps, pour cet intervalle, suffisamment protégée contre une influence trop forte de l'acier liquide, en particulier contre des Jaillissements. On obtient un dispositif de refroidissement efficace par l'eau quand il est constitué par trois tubes concentriques, l'amenée de l'eau de refroidissement ayant lieu entre le tube intérieur et le tube central et l'évacuation entre le tube central et le tube extérieur. On envoie ainsi à la buse, particu lièrement sollicitée thermiquement, de l'eau froide protégée à l'intérieur des tubes contre la température élevée du récipient de réception de l'acier. Comme protection supplémentaire, la partie inférieure de la lance peut autre pourvue d'un revêtement réfractaire. Le dispositif, étanche au vide, d'introduction de la lance, est constitué par un couvercle refroidi par de l'eau, présentant un trou et comportant une garniture étanche latéralement par rapport à la lance et au trou. Ce dispositif permet, même pendant l'affinage, de déplacer axialement la lance relativement à sa position en hauteur. On peut effectuer ce déplacement au moyen d'un dispositif de déplacement, de préférence un dispositif hydraulique. On parvient à faire frapper efficacement la masse fondue du récipient de réception de l'acier par des agents gazeux d'affinage quand l'axe de la lance est dirigé vers l'embouchure du tube d'entrée dans le récipient. Le dispositif permet de produire avantageusement une masse fondue à faible teneur en carbone et forte teneur en chrome à partir d'une masse fondue à forte teneur en chrome et en carbone par insufflation sous vide d'agents gazeux d'affinage si, au début du traitement sous vide, quand l'acier provenant d'une poche de coulée s'écoule à travers le récipient de dégazage par circulation, on n' amène pas d'agent d'affinage dans une première phase de traitement, on en amène des quantités élevées dans une seconde phase et on en amène de faibles quantités dans une troisième phase, on désoxyde ensuite la masse fondue, on corrige la composition de l'alliage et on fait couler la masse. Pendant la première phase de traitement, l'acier possède encore, provenant de sa production, suffisamment d'oxygène pour la réaction d'affinage.Les quantités élevées d'agent d'affinage de la seconde phase entraînent des vitesses élevées de réaction, le chrome étant protégé de façon fiable par la teneur encore élevée en carbone, tandis que dans la troisième phase on évite de façon sûre la scorification du chrome grâce à l'amenée des quantités plus faibles d'agent d'affinage, malgré la teneur présente alors plus faible de carbone. Le réglage de l'analyse finale par apport d'additions correctrices et désoxydation a alors lieu à la fin du traitement. On-peut m ttre en oeuvre le procédé comme suit Au début du traitement dans la première phase, dans laquelle la teneur élevée en C et en 0 entrain un fort J issement de la masse fondue, il est avantageux entre la buse et le bain l'intervalle étant grand et supérieur à 2 m de maintenir la buse libre en l'alimentant avec un gaz inerte, par exemple de l'argon ou de l'azote, et dans la seconde phase de traitement, l'intervalle étant moindre et d'environ 1,0 m, d'insuffler l'agent d'affinage sous pression élevée et en grande quantité, et dans la troisième phase, quand la teneur de la masse fondue en carbone est déåà très faible et une insufflation énergique entraîne le risque d'une oxydation du chrome, d'insuffler en quantités plus faibles et sous pression inférieure, l'intervalle étant supérieur et d'environ 2 m. Vers la fin de l'opéra tion d'affinage quand est atteinte la teneur la plus basse de l'acier en carbone, la diminution de la quantité d'oxygène, en vue de diminuer les pertes de chrome, conduit à une diminution de l'énergie cinétique du Jet d'insufflation, de sorte qu'il n'arrive plus sur l'acier sous la forme d'un corne étroit et perd ainsi de son efficacité.Pour maintenir les conditions optimales d'insufflation, il est avantageux d'alimenter avec une quantité aussi constante que possible de gaz l'ouverture de sortie, constituée par une buse Laval, de la lance d'insuffle tion, ce qu'on obtient, quand la quantité d'agent d'affinage est diminuée, en la remplaçant par des gaz inertes, de préférence de l'argon, de sorte que, tandis que les quantités d'oxygène varient, les mêmes quantités de gaz sortent constamment de la buse pendant la totalité de l'opération d'insufflation. La dilution de l'oxygène par de l'argon apporte en outre l'avantage que, lorsqu'on vise à des teneurs finales extrêmement faibles en carbone dans l'acier, on dispose d'une protection supplémentaire contre une scorification du chrome. On peut encore favoriser davantage la décarburation en amenant supplémentairement du gaz d'affinage par 11 entrée de gaz du tube d'entrée de l'installation de dégazage. Suivant l'effet d'affinage désiré, le gaz d'affinage peut entre de l'air, du C02, de l'oxygène ou un mélange de ces gaz. Quand on amène, par cette conduite de gaz, de l'oxygène pur au point d'introduction, des températures très élevées prennent naissance et les buses dtintroduction de gaz risquent de brûler : on utilisera donc avantageusement un mélange d'argon et d'oxygène. Ce mélange gazeux peut présenter des rapports de mélange variables et on peut utiliser depuis 100 % d'argon jusqu'à un rapport de 30 % d'argon et 70 % d'oxygène. L'affinage, dans l'installation de dégazage, uniquement par l'introduction de gaz d'affinage dans le tuyau d'entrée, se présente avantageusement quand la quantité de carbone à faire disparaltre dans le traitement d'affinage sous vide n'a pas besoin d'être très grande. On peut, certainement, tout en évitant de façon sûre une scorification du chrome, faire passer des masses fondues contenant du chrome traitées par ce mode d'affinage depuis des teneurs en carbone voisines de 0,08 % au début du traitement à des teneurs en carbone inférieures à 0,02 %. "e fait qu'en modifiant les conditions d'affinage on peut provoquer une oxydation désirée aussi bien du carbone seul que des autres éléments d'alliage dans la masse d'acier fondue, peut également être utilisé pour oxyder sélectivement le chrome dans une masse ayant une teneur trop élevée en chrome. On a ainsi en outre la possibilité de réchauffer des masses fondues trop froides, bien qu'il se produise dans ce cas une perte inévitable en constituants d'alliage. En analysant constamment, du point de vue de leur quantité et de leur teneur en CO, C02 et 02, les gaz aspirés de I'instl- lation de dégazage et en utilisant les chiffres de l'analyse comme grandeurs de commande pour le procédé, on peut automatiser celui-ci. L'insufflation commence dans la seconde phase du traitement, de préférence quand la quantité de gaz et la teneur en CO sont tombés au-dessous d'une valeur limité à régler et, dans la troisième phase, avec de faibles quantités, quand les deux teneurs sont tombées au-dessous d'une autre valeur limite plus faible. On termine l'insufflation quand la quantité et l'analyse du gaz évacué montrent que la teneur finale recherchée en carbone est atteinte. On a une autre possibilité de surveiller et de commander l'évolution de l'affinage pendant le traitement d'affinage en mesurant la température de la masse d'acier fondue dans la poche de coulée. Tant que, par suite de la dépression dans le récipient de traitement, seul le carbone de la masse fondue est oxydé, il ne se produit, par suite de la faible chaleur libérée par cette réaction, qu'une élévation modérée de la température de la masse fondue. Mais, aussitôt que la teneur en carbone tombe au-dessous d'une valeur critique, l'oxydation d'autres éléments d'alliage et du fer lui-même commence, ce qui conduit à une élévation brusque de la température de l'acier. La valeur de la teneur critique en carbone est variable et dépend, non seulement de la dépression dans le récipient de traitement, mais également de la nature et de la concentration des éléments d'alliage ainsi que des conditions d'insufflation. Pour éviter des pertes d'alliages, il faut par suite modifier les conditions de l'affinage à partir du moment de la brusque augmentation de température On donne ci-après un exemple de réalisation de l'invention en se référant au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est, en représentation schématique, une vue en coupe longitudinale d'une installation de dégazage à circulation comprenant une lance d'insufflation - la figure 2 est une représentation graphique de l'évolution, dans le temps, de la température et de la teneur en chrome, silicium, manganèse et carbone, de la masse fondue traitée. Le dispositif pour produire des aciers à faible teneur en carbone et à forte teneur en chrome par un traitement sous vide est constitué par une installation de dégazage en circuit consistant en un récipient 1 de réception de l'acier muni d'un tube d'entrée 2, muni d'un tube d'entrée de gaz 3, un tube de sortie 4 écarté du tube d'entrée 2, une aspiration de gaz 5, et un appareil 6 d'addition d'alliage, et en une lance d'insufflation 7 refroidie par de l'eau, comprenant une buse 8 et introduite de façon étanche au vide dans le récipient 1 de façon que son axe soit dirigé vers l'acier 9 se trouvant dans le récipient 1. L'intervalle entre la buse 8 et le fond du récipient 1 est de 1,0 à 2,5 m. La lance est refroidie par de l'eau.Le dispositif de refroidissement est constitué par trois tubes concentriques 10, 11, 2, l'amenée de l'eau de refroidissment 13 ayant lieu entre le tube intérieur 10 et le tube central 11, et l'vacuation 14 entre le tube central 11 et le tube extérieur 12. La partie inférieure de la lance comporte un revêtement réfractaire 15. On obtient un refroidissement fiable en amenant dans l'entrée 13 l'eau sous une pression effective de 10 atm., la température de sortie dans l'évacuation 14 ne dépassant pas 500C. La lance passe coulissante à travers un couvercle 16 refroidi par de l'eau et, au moyen d'une garniture 18, de façon étanche au vide, dans un trou 17. Le coulissement axial a lieu au moyen d'un dispositif de déplacement hydraulique qui n'a pas été représenté.L'amenée du gaz d'affinage 19 a lieu par le tube intérieur 10. On va décrire ci-après la production d'une masse fondue à forte teneur en chrome et pauvre en carbone. Par affinage au four électrique, on fait tomber à 0,19 % la teneur en carbone d'une masse d'acier fondu contenant 18,1 ffi de chrome et 10,1 % de nickel et ayant une teneur en carbone initiale de 0,61 %. On la soutire pour la déverser dans une poche de coulée normale et on la soumet à un traitement de dégazage en circuit fermé. Pendant le temps de traitement de 40 minutes, on insuffle sur la masse fondue circulant dans le récipient de traitement une quantité d'oxygène de 400 m3 N/h entre la 9ème et la 25ème minute, et de 200 m3 N/h entre la 25ème et la 33ème minuta. Cela fait tomber la teneur en carbone de 0,19 à 0,016 %, tandis que la teneur en chrome reste pratiquement constante dans les limites de précision des analyses. La température de l'acier est de 1 6800C avant le traitement d'affinage; par la mise en oeuvre du procédé, elle s'abaisse au début du traitement et s'élève à nouveau pendant l'insufflation d'oxygène . À la fin du traitement, la température de l'acier est de 1 6400C. On désoxyde ensuite sous vide la masse fondue par addition d'éléments d'alliage, on corrige sa composition et on la verse ensuite. La figure 2 représente graphiquement les résultats des analyses pendant le déroulement du traitement. La masse fondue d'acier ainsi produite correspond au numéro de matériau 1.4306 de la classification X 2 CrNi 18.9. L'analyse finale indique la composition suivante C Si Mn Cr Ni P S 0,020 0,46 1,24 17,6 10,6 0,oe6 0,015 % REVN1 > ICTI0NS 1.- Dispositif pour produire des aciers à faible teneur en carbone et à forte teneur en chrome par un-traitemenv sous vide, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison : a) une installation, connue en soi, de dégazage par circulation, constituée par un récipient de réception de l'acier muni d'un tube d'entrée pourvu d'une entrée de gaz et un tube d'évacuation séparé du tube d'entrée ; b) une lance d'insufflation pourvue d'une buse, refroidie par de l'eau, et qui pénètre, de façon étanche au vide, dans le récipient de réception de l'acier, de façon que son axe soit dirigé sur l'acier se trouvant dans le récipient. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel l'intervalle entre la buse de la lance d'insufflation et le fond du récipient de réception de l'acier est de 1,0 à 2,5 m. 3.- Dispositif suivant la revendication , dans lequel le dispositif de refroidissement est constitué par trois tubes concentriques, l'amenée de l'eau de refroidissement ayant lieu entre le tube intérieur et le tube central et l'évacuation entre le tube central et le tube extérieur. 4.- Dispositif suivant la revendication 9, dans lequel la partie inférieure de la lance est munie d'un revêtement réfractaire. 5.- Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel la dispositif, étanche au vide, d'introduction de la lance, est constitué par un couvercle refroidi par de leu présentant un trou et comportant une garniture étanche latéralement par rapport à la lance et au trou. 6.- Dispositif suivant la revendication 5, et qui comprend un dispositif, de préférence hydraulique, de déplacement permettant de faire coulisser axialement la lance. 7.- Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel l'axe de la lance est dirigé vers l'embouchure du tube d'entrée dans le récipient. 8.- Procédé pour produira, en particulier au moyen du dispositif suivant une des revendications 1 à 7, une masse d'acier fondu à faible teneur en carbone et à forte teneur en chrome, procédé dans lequel on dirige des agents gazeux d'affinage sur une masse d'acier fondu ayant une teneur élevée en chrome et en carbone, ce procédé étant caractérisé par le fait que, au début du traitement sous vide, quand l'acier provenant d'une poche de coulée s'écoule à travers le récipient de dagazage par circulation, on n'amène pas d'agent d'affinage dans une première phase de traitement, on en amène des quantités élevées dans une seconde phase et on en amène de faibles quantités dans une troisième phase, on désoxyde ensuite la masse fondue, on corrige la composition de- l'alliage et on fait écouler la masse. 9.Procédé suivant la revendication 8, dans lequel on insuffle, dans la première phase de traitement, l'intervalle entre la buse et le bain d'acier étant d'environ 2m, un gaz inerte tel que de l'argon ou de l'azote; dans la deuxième phase, l'intervalle étant inférieur et d'environ 1 m, de grandes quantités d'oxygène ; et dans la troisième phase, l'intervalle étant d'environ 2 m, de faibles quantités d'oxygène. 10.- Procédé suivant la revendication 8, dans lequel, quand les quantités de l'agent d'affinage insufflé sont faibles, on leur aJoute des gaz inertes, de préférence de l'argon, en quantités telles que les mêmes quantités de gaz sortent toujours de la buse par unité de temps pendant toute la durée de l'opération d'insufflation. lie- Procédé selon la revendication 8, dans lequel on introduit supplémentairement du gaz d'affinage par l'entrée de gaz du tube d'entrée de l'installation de dégazage. 12.- Procédé suivant la revendication 11, dans lequel le gaz d'affinage supplémentaire est un mélange d'argon et d'oxygè ne. 13.- Procédé suivant la revendication 8, dans lequel on n'introduit l'agent gazeux d' affinage, de préférence un mélange d'oxygène et d'argon, que dans le tube d'entrée de l'installation de dégazage. 14.- Procédé suivant la revendication 8, dans lequel on analyse constamment du point de vue de leur quantité et de leur teneur en CO, C02 et 02, les gaz aspirés de l'installation de dégazage, et on utilise les valeurs de l'analyse comme grandeurs de commande du procédé. 15.- Procédé suivant la revendication 8, dans lequel on mesure en permanence la température du bain d'acier et, si la température s'élève brusquement, on commande l'affinage dans le sens qui le réduit ou y met fin.