Brevet FR2234369A1 — publié le 19750117

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'acier à basse teneur en carbone. Elle concerne plus précisément un procédé pour la fabrication d'acier ayant une teneur en carbone inférieure à 100 ppm, et plus particulièrement exempt d'inclusions non métalliques. Avec le progrès de la technique, les exigences à l'égard des a ciers deviennent de plus en plus sévères et pour répondre à certaines d'entre elles, une teneur faible en carbone est nécessaire. Cette carac téristique est par exemple nécessaire pour les aciers magnétiques, pour certains types d'aciers inoxydables, pour les aciers d'emboutissage profond, pour les aciers résistant aux températures élevées, etc... De nombreux procédés ont donc été mis au point pour réaliser des teneurs en carbone en-dessous de certaines limites. En plus des procédés traditionnels, qui requièrent un soufflage d'oxygène énergique et prolongé ou bien l'emploi d'une charge métallique particulièrement sélectionnée et à teneur relativement basse en carbone, les procédés connus pour la production d'acier à bas carbone, sont pratiquement tous basés sur l'emploi du vide. Ces procédés tirent davantage du fait que la réaction de décarburation C + 0 > COgaz se produit avec une augmentation de volume et que par conséquent, suivant les lois de la physique et de la chimie, une diminution de pression déplace l'équilibre vers la formation de monoxyde de carbone, c'est-à-dire vers une décarburation et une désoxydation du bain. Cependant dans les couches les plus profondes du bain et à eause de la pression qu'y exerce la colonne de métal liquide au-dessus desdites couches, la diminution de pression causée par l'application du vide ne produit pas le degré de décarburation désiré. L'action du vide doit donc etre suppléée, soit physiquement en favorisant le mélange du bain, soit par voie chimique en introduisant une quantité supplémentaire d'oxygène. De toute manière, l'application du vide exige des investissements importants et ne permet pas en général de traiter de grandes quantités de métal liquide. Le mélange physique du bain, qui est obtenu en général en plaçant le bain dans un champ d'induction, requiert des investissements supplémentaires et n'accélère pas beaucoup le traitement alors que l'introduction d'oxygène cause, si l'on veut des teneurs en carbone vraiment basses, une oxydation non négligeable du bain à laquelle on peut remédier grâce à des désoxydants à base de Si ou de Al. Ces derniers cependant, en plus de leur coût, polluent le bain à cause des formations d'inclusions non métalliques nuisibles et non souhaitées,telles Au205 et Si02. Une compilation complète et récente des méthodes de traitement sous vide et donc de décarburation peut être trouvée dans "Stahl und Eisen" 92 (1972) nO 15 du 20.7.1972 pages 716 - 724. Il existe d'autres procédés pour obtenir des aciers à très basse teneur en carbone, comme par exemple l'affinage au plasma ou par faisceau électronique, mais il s'agit de procédés fort élaborés et coûteux eut de toutes façons utilisées en laboratoire ou pour la production de quantités relativement réduites-d'aciers très spéciaux pour lesquels le prix de revient est pratiquement sans importance. La présente invention a pour but la production d'acier à basse teneur en carbone, en particulier d'aciers contenant moins de 100 ppm de carbone, de manière simple, économique et rapide et en évitant le recours à des installations de vide coûteuses. Au cours d'une étude sur la possibilité de désoxyder un bain d'acier fondu à l'air libre, à l'aide d'hydrogène, la Demanderesse a constaté que l'insufflation d'hydrogène sec dans le bain métallique produisait certes une désoxydation, mais aussi, et d'une manière absolument inattendue et surprenante, une décarburation dont la cinétique était très rapide, au point d'arriver à une teneur en carbone inférieure à 100 ppm avec une consommation d'hydrogène très limitée. On a avancé certaines hypothèses sur ce fait surprenant, en considérant le procédé connu de décarburation des tôles minces magnétiques pendant les recuits suiv-ant le laminage à froid. La tôle mince magnétique en effet, réduite à I'élaisseur désirée par le laminage à froid, est recuite à environ 6o00C sous atmosphère d'hydrogène sec ou humide pour être décarburée.Par un tel traitement, il est possible d'arriver à une teneur en carbone de 20 à 30 ppm. Dans ce cas, si l'hydrogène est sec, il réagit avec le carbone en formant des hydrocarbures, principalement du méthane,alors que s'il est humide l'eau oxyde le carbone et l'hydrogène a essentiellement pour fonction de transporter l'eau en phase vapeur. Suivant la présente invention, on préconise l'utilisation d'hydrogène sec pour des durées allant jusqu'à 60 minutes et en des quantités allant jusqu'à 20 Nm3 par tonne d'acier et donc, suivant le mécanisme décrit ci-dessus, il devrait y avoir formation de méthane. Cependant les conditions thermodynamiques dans le présent cas ne sont pas favorables à la formation d'hydrocarbures et d'autre part l'analyse chromatographîque des fumées captées au gueulard du réacteur de traitement, n'a révélé aucune trace d'hydrocarbures, mais uniquement de l'hydrogène, de l'azote, de l'eau du monoxyde et du bioxyde de carbone. Il s'ensuit que le mécanisme de décarburation de la présente invention doit être un outre mécanisme complètement différent et sans rapport avec celui envisagé; les hypothèses formulées jusqu'à présent ne se sont donc pas révélées satisfaisantes. De plus, la Demanderesse a constaté de manière totalement surprenante que l'insufflation d'hydrogène dans la bain diminue non seulement la teneur en carbone, mais qu'elle crée aussi un acier particulièrement exempt d'inclusions non métalliques. Cet autre aspect de la présente invention est mis en évidence dans le tableau qui suit dans lequel ont été résumés les résultats de quelques essais au cours desquels un même bain métallique a été divisé en deux bains identiques, l'un d'eux étant traité à l'hydrogène sec suivant la présente invention, alors que l'autre a été traité aux désoxydants traditionnels et ensuite soumis à un lavage sous argon. Le bain présentait initialement la composition suivante C:0,037 % 02 : 0,064 %, Si : 0,02 %, Mn : 0,5 %, S : 0,02 %, P : 0,01 %, le reste étant du fer et des impuretés mineures. TABLEAU 1 Caractéristiques finales Traité à H2 Désoxydants + lavage à l'argon % C 0,009 0,030 % 2 0,04 0,01 Indice dtinculusions pour une teneur du bain traité par H2 égale à 100 100 ! 216 La présente invention sera encore illustrée par les exemples suivants : Exemple 1 Un acier ayant après traitement au four par l'oxygène, la composition sui vante :C : 0,032 %T 02 : 0,08 C/o, Si : 0,014 %, Mn : 0,44 % S : 0,015 %, P : 0,009 %, température 16800C, a été traité pendant 3 minutes et 40 secondes avec l'hydrogène en quantité égale à 1,6 Nm3/t d'acier. Après traitement, l'analyse de l'acier a donné C : 0,009 %, 02 : 430 ppm, H2 : 10 mol/100 g acier, Si : 0,011 %, Mn : 0,20%, S : 0,012 %, P / 0,009 %, la température à la fin du traitement était de 1630 C. Après le lavage à l'argon, la teneur en H était descendue à 4 ml/100 g 2 acier et la température à 15950C. Exemple 2 Un acier ayant la composition C : 0,040 % 92 : 0,04 %, Si : 0,020 %, Mn : 0,50 %, S : 0,018 %, P : 0,010 %, température 16700C, a été traité pendant 5 minutes à l'hydrogène en quantité égale à 2,5 Nm /t d'acier. Après le traitement à l'hydrogène, le lavage à l'argon et l'addition des éléments convenables, l'acier avait la composition suivante C : 0,009 %, 2 : 400 ppm, H2 : 3 mul100 g d'acier, Mn : 0,28 %, Si : 0,01% S : 0,014 %, P : 0,010 %, Cr : 0,8 %, Cu : 0,15 %, Mo : 1 %. La température du bain était de 16000C0 Exemple 3 Un acier ayant la composition C : 0,025 %, 2 : 750 ppm, Si : 0,01 %, Mn : 0,2 %, S : 0,01 %, P : 0,01 %. Température 1670 C, a été traité pendant 5 minutes à l'hydrogène en quantité égale à 3 Nm3/t d'acier. Après traitement à l'H2, lavage à l'argon et addition des éléments convenables, l'acier avait la composition suivante C : 0,007 %, 02 : 500 ppm, H2 : 2 ml/100 g d'acier, Mn : 0,09 %, P:0,008%, S : 0,009 %, Si : 0,006 %, Ni : 16,3 %, Co : 6,3 %, Mo : 5,6 %, Al:0,09 %, Ti : 0,3 %. La température du bain était de 15800C. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication d'un acier à basse teneur en carbone et particulièrement exempt d'inclusions non métalliques, caractérisé en ce que le bain d'acier en fusion, avant une addition éventuelle d'éléments d'alliage et avant la coulée est traité à l'hydrogène sec par insufflation d'hydrogène dans le bain pendant des périodes allant jusqu'à 60 mn et par une quantité d'hydrogène allant jusqu'à 20 Nm3/t d'acier, ce traitement étant suivi par un lavage du bain à l'argon. 2. Acier à basse teneur en carbone et particulièrement exempt d'inclusions non-métalliques obtenu par le procédé de la revendication 1.