Brevet FR2304679A1 — publié le 19761015

La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés à -favoriser des réactions métallurgiques. Plus spécialement, l'invention concerne un procédé et un appareil dans lesquels un métal en fusion est agité de manière à exposer efficacement le métal fondu à des réactifs solides, gazeux ou~liquides afin d'achever rapidement des réactions métallurgiquds avec le métal en fusion. Une pratique industrielle importante consiste à faire réagir un métal en fusion avec diverses substances pour modifier sa composition chimique afin d'obtenir une composition finale désirée. Par exemple, des gaz tels que l'air, l'oxygène et le chlore ont été introduits dans dés bains de ferrosilicium en fu sinon dans le but de réduire leurs teneurs en calcium et en aluminium. Cette pratique a été efficace mais avait-l'inconvénient, dans certains cas,de provoquer un refroidissement genant du bain de métal en fusion et de nécessiter des durées d-e traitement relativement longues et un appareillage de traitement relativement motteux. Il a été également proposé d'agiter le métal en fusion au moyen de divers appareils comme ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 664 826 et N0 3 592 629 pour favoriser des réactions métallurgiques. tes modes opératoire décrits dans ces deux brevets précités exigent soit un appareillage d'agitation mécanique compliqué, soit un réglage précis des eonfigira- tions d'agitation du métal en fusion. Par conséquent, l'invention a pour objet un procédé et un appareil peu compliqués destinés à favoriser et à~aehever rapi dement- des réactions métallurgiques impliquant un métal en fusion. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullemeilt limitatif et sur lequel la figure 1 est une vue de coté en coupe d'un appareil selon la présente invention les figures 2 et 3 représentent des vues en plan et de c8té du mécanisme agitateur de l'appareil de la présente invention ; et la figure 4 représente une partie périphérique du mécanis me agitateur de l'appareil de l'invention présentant un revêtement protecteur selon l'invention. En se référant au dessin, on va décrire la présente invention dans son application à une poche de coulée classique désignée par 1.0 sur la figure 1 et présentant une enveloppe en fer 12 et un garnissage réfractaire 14. le métal en fusion à traiter, qui est désigné par 16, est contenu dans la poche de coulée 10 et un élément agitateur 18 est plongé dans le métal en fusion. La composition du matériau constituant l'élément agitateur et sa configuration sont importantes pour la mise en oeuvre de l'invention. l'élément agitateur 18 est usiné dans du graphite à la forme représentée sur les figures 2 et 3 comme on le décrira plus en détail ci-apres. les surfaces de l'élément agitateur 18 qui est usiné dans du graphite très dense, qui entrent en contact avec le métal peuvent être recouvertes d'un mince revêtement adhérent 17 de laitier siliceux formé par contact des surfaces de graphite avec un mélange en fusion de silice, de chaux, d'alumine et de magnésie. A cet effet, le laitier se compose essentiellement d'environ 45 à 70 % en poids de SiO2, de 10 à 35 % en poids de CaO, de 30 % au maximum de MgO et de 15 % au maximum de Au203. Dans le cas de lwélimi- nation de 11 aluminium et du calcium d'alliages de silicium ou à base de silicium à l'aide d'un laitier synthétique en fusion, comme décrit plus bas, un traitement par un tel laitier assure la formation du revêtement désiré.On a remarqué que la partie de l'élément agitateur 18 et celle de l'arbre de support 34 qui sont immergées dans le métal en fusion et le laitier et qui présentent un revêtement adhérent ne sont pas sujettes à une oxydation importante, tandis que la partie de l'arbre 34 qui n'est pas immergée manifeste une oxydation qui conduit finalement à une rupture. La couche de laitier 17 est d'une épaisseur de l'ordre de 0,03 à 2,5 mm. Cette épaisseur peut être obtenue en plongeant l'élément en graphite 18 dans le laitier en fusion pendant environ une minute ou plus. La température importe peu tant que le laitier est à l'état fondu. La configuration du dispositif agitateur 18 est également importante pour la mise en oeuvre de l'invention. En se référant aux figures 2 et 3, l'élément agitateur en graphite comprend un moyeu 2C présentant de 3 à 8 et de préférence 6 branches radiales sensiblement identiques 22 d'une longueur comprise entre environ 25 et 85 % du diamètre du moyeu 20. La largeur moyenne des branches 22 est comprise entre environ 40 et 80 % de leur longueur. La hauteur de l'élément agitateur 18, indiquée en 24, est comprise entre environ 75 et 200 ffi du diamètre du moyeu. On a constaté que la configuration ci-dessus est importante, de m8me que le revêtement adhérent susmentionné, pour l'agitation très énergique utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention. Par exemple, pour mettre en oeuvre la présente invention, on a recours à de grandes vitesses de rotation pour achever rapidement les réactions métallurgiques, en évitant ainsi de longues durées de traitement et un refroidissement gênant du bain. La configuration de l'élément agitateur de la présente invention lui permet de supporter les fortes contraintes mécaniques imposées par la grande vitesse de rotation tout en assurant une turbulence importante. On a constaté que le revêtement décrit plus haut -adhère d'une manière remarquable à I'élément agitateur en graphite et que son épaisseur reste sensiblement constante pendant toute l'opération dans laquelle on utilise un laitier siliceux et dans laquelle des impuretés telles que le calcium et l'aluminium sont éliminées. On n'a pas entièrement élucidé les causes qui sont à la base de ce bon résultat, mais l'on pense qu'il est dû au renouvellement du revêtement par les constituants présents du laitier. lorsqu'on n'utilise pas de laitier siliceux ou que le calcium et l'aluminium ne sont pas éliminés par oxydation, il peut être souhaitable de renouveler périodiquement le revêtement de l'élé- ment agitateur avec un laitier siliceux comme décrit dans le présent mémoire. En se référant encore à la figure 1, l'élément agitateur 18 est réalisé de manière que son diamètre externe 26 soit compris entre environ 25 et 40 % du diamètre moyen du bain de métal indiqué en 28. Egalement, l'élément agitateur 18 est immergé dans le bain métal en fusion de manière que sa partie inférieure se trouve dans la moitié supérieure du bain de métal.lorsque l'éle- ment agitateur 1 8 est monté comme indiqué et comme on le voit sur la figure 1, un moteur 30 entraîne par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse 32 et d'un collier de serrage 33 un arbre 34, et par suite l'élément agitateur 18,à une vitesse comprise entre environ 120 et 225 tr/mn.Aux vitesses de rotation indiquées et lorsque l'élément agitateur a la configuration représentée, le bain de métal est agité énergiquement avec une grande turbulence. Une vitesse de rotation d'au moins 120 tr/mn- est importante pour permettre d'achever rapidement la réaction métallurgique en jeu, des vitesses de rotation supérieures à 225 tr/mn provoquant un éclaboussement inutile et éventuellement une perte de métal. lors- que le métal en fusion à traiter est un alliage contenant du silicium et qu'il doit entre débarrassé d'impuretés telles que le calcium et l'aluminium, ltexpositi-on du métal en fusion à l'air environnant par l'agitation susmentionnée est suffisante pour réduire rapidement la teneur en calcium environ 0,20 à 0,02 % et la teneur en aluminium d'environ 0,5 à 0,3 % en moins de 8 minutes.Pour de telles opérations, l'élément agitateur est placé de préférence dans le dixième supérieur du bain fondus lorsque des métaux solides doivent être ajoutés au métal en fusion, par exemple lorsque du ferrosilicium finement divisé est ajouté à un bain de ferrosilicium en fusion, l'élément agitateur se trouve de préférence dans la partie supérieure comprise entre 20 et 40 % du bain de métal. Lorsqu'il s'agit d'éliminer des impuretés telles que l'aluminium et le calcium du silicium ou du ferrosilicium en utilisant un laitier synthétique, l'élément agitateur est placé de préférence dans la partie supérieure comprise entre 10 et 20 % du bain de métal. Comme représenté, le moteur 30 et le réducteur de vitesse 32 sont supportés par un élément 29 protégé par un revêtement réfractaire qui peut être soulevé et abaissé par des vérins hydrauliques 35 pour ajuster la position de l'élément agitateur 18. La présente invention a notamment pour avantage la rapidité obtenue dans les réactions métallurgiques et la grande longévité de l'élément agitateur. les réactions rapides évitent les effets gênants qui peuvent résulter d'un refroidissement de la masse fondue pendant une agitation prolongée. les exemples suivants sont donnés à titre illustratif mais non limitatif de l'invention. Exemple 1 On place 2710 kg de ferrosilicium à 75 % de silicium contenant 0,54 % d'aluminium et 0,22 % de calcium dans une poche de coulée ayant un diamètre interne moyen de 1 1,25 m et une profondeur de 0,85 m. La température initiale du métal est de 1510 C. Un élément agitateur en graphite du type représenté sur le dessin,présentant un moyeu d'un diamètre de 20,3 cm et une hauteur de 20,3 cm ainsi que six branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 cm, est immergé dans le métal en fusion de manière que sa face inférieure soit à environ 25,4 cm au-dessous de la surface du métal. On ajoute dans la poche un mélange intime de 47,7 kg de chaux, de 90,8 kg de sable et de 14,5 kg de magnésie. On fait tourner l'élément agitateur à raison de 120 tr/mn pendant 25 minutes. On fait couler le métal de la poche et,à l'analyse, on constate qu'il contient 0,07 % d'aluminium et 0,04 % de calcium. Exemple 2 On place 3961 kg de ferrosilicium à 50 % de silicium contenant.0,60 % d'aluminium et 0,07 % de calcium dans une poche ayant un diamètre interne moyen de 1 1,25 m et une profondeur de 0,91 m. La température initiale du métal est de 1600 C. On immerge dans le métal en fusion un élément agitateur en graphite du type représenté sur le dessin présentant un moyeu d'un diamètre de 20,3 cm et d'une hauteur de 20,3 cm avec six branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 cm, de manière que sa face inférieure soit à environ 30 cm au-dessous de la surface du métal. On ajoute dans la poche un mélange intime de 45,4 kg de chaux, de 90,8 kg de sable et de 20,4 kg de magnésie. On fait tourner l'élément agitateur à raison de 120 tr/mn pendant 30 minutes.On verse le métal de la poche et,à l'analyse, on constate qu'il contient 0,05 % d'aluminium et 0,04 % de calcium. Exemple 3 On place 10 887 kg de ferrosilicium à 50 % de silicium contenant 0,91 % d'aluminium et 0,26 % de calcium dans une poche ayant un diamètre interne moyen de 1,52 m et une profondeur de 1 ,43 m. la température initiale du métal est de 14770C. On immerge dans le métal en fusion un élément agitateur en graphite du type représenté sur le dessin ayant un moyeu d'un diamètre de 20,3 cm et d'une hauteur de 20,3 cm ainsi que six branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 mm,de manière que sa face inférieure soit à environ 30,5 cm au-dessous de la surface. On ajoute dans la poche un mélange intime de 223,4 kg de chaux, de 363,2 kg de sable et de 113,5 kg de magnésie. On fait tourner l'élément agitateur à raison de 175 tr/mn pendant 21 minutes.On verse le métal de la poche et,à 11 analyse, on constate qu'il contient 0,08 % d'alumi- nium et 0,01 % de calcium. Exemple 4 On place 1811 kg de silicium contenant 0,54 % d"alumi- nium et 0,20 % de calcium dans une poche ayant un diamètre interne moyen de 1,04 m et une profondeur de 0,82 m. La température initiale du métal est de 14300C. On immerge dans le métal en fusion un élément agitateur en graphite du type représenté sur le dessin ayant un moyeu d'un diamètre de 20,3 cm et d'une hauteur de 20,3 cm ainsi que six branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 cm, de manière que sa face inférieure soit à 20,3 cm audessous de la surface du métal. On fait tourner l'élément agitateur à raison de 120 tr/mn pendant 7 minutes. On verse le métal de la poche et,à l'analyse, on constate qutil contient 0,22 % d'aluminium et 0,01 % de calcium. Exemple 5 On place 1664 kg de silicium contenant 0,79 % d'aluminium et 0,12 % de calcium dans une poche ayant un diamètre interne moyen de 1 m et une profondeur de 0,8 m. La température initiale du métal est de 1500OC. On immerge dans le métal en fusion un élé en graphite ment agitateur/au type représenté sur le dessin ayant un moyeu d'un diamètre de 20,3 cm et d'une hauteur de 20,3 cm ainsi que six branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 cm, de manière que sa face inférieure soit à environ 30,5 cm au-dessous de la surface du métal. On ajoute dans la poche un mélange intime de 34,5 kg de chaux, de 66,3 kg de sable et de 14,1 kg de magnésie. On fait tourner l'élément agitateur à 150 tr/mn pendant 15 minutes.On verse le métal de la poche et,à l'analyse, on constate qu'il contient 0,08 % d'aluminium et 0,01 % de calcium. Exemple 6 On place 10 192 kg de ferrosilicium à 50 % de silicium dans une poche ayant un diamètre interne moyen de 1 1,52 m et une profondeur de 1 1,4 m. La température initiale du métal est de 15210C. On immerge dans le métal en fusion un élément agitateur en graphite du type représenté sur le dessin comportant un moyeu d'un diamètre de 2C,3 cm et d'une hauteur de 20,3 cm ainsi que sir branches d'une épaisseur moyenne de 6,35 cm, de manière que sa face inférieure soit à environ 40,6 cm au-dessous de la surface du bain. On ajoute dans la poche 522 kg de ferrosilicium à 50 % de silicium sous forme finement divisée. On fait tournér l'élément agitateur à 145 tr/mn pendant 11 minutes. Le métal particulaire est entièrement fondu par le bain. En mettant en oeuvre la présente invention, il est possible d'éliminer rapidement des impuretés telles que le calcium et l'aluminium du silicium en fusion et d'alliages fondus contenant environ 50 % de silicium ou plus, par exemple les divers alliages de ferrosilicium,en utilisant un laitier synthétique ayant la composition suivante 45 à 70 % de Si02 10 à 35 t de CaO 9 à 30 % de MgO. La quantité de laitier par rapport au métal en fusion est comprise entre environ 3,5 et 9 % du poids du bain de métal. de plus grandes quantités de laitier comprises dans cette plage étant utilisées avec de plus fortes teneurs en silicium du métal à traiter. En utilisant un laitier dont la composition est comprise dans la plage susmentionnée, il est possible de ramener la teneur en aluminium à 0,1 %. Si de plus fortes teneurs en aluminium peuvent être tolérées, il est possible d'utiliser de moins grandes quantités de laitier. La présente invention peut être également appliquée dans une grande diversité de traitements de métaux, par exemple pour des additions de carbure de calcium au fer à des fins de désulfuration, la dissolution d'additions métalliques au métal en fusion et la diminution de la teneur totale en carbone d'alliages de silicium et de manganèse, par exemple du silicomanganèse,en utilisant un laitier sous-produit avec le métal en fusion. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'affinage d'un métal en fusion contenant des impuretés, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un métal en fusion dans un récipient de forme sensiblement cylindrique, à agiter le métal en fusion dans ledit récipient au moyen d'un élément rotatif en graphite placé sensiblement au centre du récipient et aligné sur l'axe de ce dernier de manière que sa face inférieure se trouve dans la moitié supérieure de la hauteur du bain de métal, ledit élément agitateur étant mis en rotation à une vitesse comprise entre environ 120 et 225 tr/mn pour provoquer une agitation turbulente au moins à la surface du bain de métal et ledit élément agitateur comprenant un moyeu sensiblement cylindrique présentant de trois à huit branches radiales, la longueur desdites branches étant comprise entre environ 25 et 85 % du diamètre du moyeu, la largeur desdites branches étant comprise entre environ 40 et 80 % de leur longueur et leur hauteur étant comprise entre environ 75 et 200 % du diamètre du moyeu, et le diamètre d'un cercle circonscrivant les branches radiales étant compris entre environ 25 et 40 % du diamètre du récipient contenant le métal en fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de ltélément agitateur est recouverte d'un mince revêtement adhérent se composant essentiellement d'environ 45 à 70 % de SiO2, de 10 à 35 % de CaO, de 30 % au maximum de MgO et de 15 % au maximum de Al2O3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal en fusion contient au moins 50 % de silicium et des impuretés telles que le calcium et l'aluminium et en ce qu'il consiste à introduire un laitier dans le récipient contenant le métal en fusion, ledit laitier se composant essentiellement d'environ 45 à 70 % de SiO2, de 10 à 35 % de CaO et de 9 à 30 % de MgO. 4. Appareil d'affinage d'un métal en fusion, caractérisé en ce qutil comprend un récipient de forme sensiblement cylindrique, un élément agitateur disposé sensiblement au centre du récipient et aligné sur l'axe de ce dernier, ledit élément agitateur comprenant un moyeu sensiblement cylindrique présentant de trois à huit branches radiales, la longueur desdites branches étant comprise entre environ 25 et 85 % du diamètre du moyeu, leur largeur étant comprise entre environ 40 et 80 % de leur longueur et leur hauteur étant comprise entre environ 75 et 200 % du diamètre du moyeu, et le diamètre d'un cercle circonscrivant les branches radiales étant compris entre environ 25 et 40 % du diamètre du récipient contenant le métal en fusion, un dispositif pour soulever et abaisser l'élément agitateur dans le récipient et un dispositif pour faire tourner ledit élément agitateur à une vitesse comprise entre environ 120 et 225 tr/mn lorsque l'élément agitateur est immergé dans le métal en fusion. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface de l'élément agitateur est recouverte d'un mince revêtement adhérent se composant essentiellement d'environ 45 à 70 % de SiO2, de 10 à 25 % de CaO, de 30 % au maximum de MgO et de 15 % au maximum de Au203.