Brevet FR2338757A1 — publié le 19770819

La présente invention, mise au point et réalisée à l'Usine de Dunkerque de la Société demanderesse, avec la contribution de M.M. Etienne SPIRE, Ingénieur Conseil de ladite Société, Michel DAVID, Roger MARTIN et Jean-Paul CHAUSSY, respectivement Ingénieurs Divisionnaires et Ingénieur à cette même usine, est relative à un procédé d'introduction d'additifs dans un métal coulé en continu et notamment de cérium dans un acier coulé en continu. Les études entreprises sur les tôles fortes en acier visent plus particulièrement à améliorer la résilience du point de vue des valeurs dans le domaine ductile,de la température de transition etdelacristallinité de ces dernières. Les améliorations des qualités mentionnées ci-dessus des tôles fortes sont obtenues essentiellement par un réglage de la nature, de la répartition et de la forme des inclusions notamment de sulfures et leur comportement au laminage. Le comportement de ces inclusions de sulfures est déterminant ainsi que celui des inclusions oxydées et des oxysulfures complexes qui résultent de la présence de soufre dans l'acier et d'éléments fixateurs de soufre et d'oxygène. Il convient donc, au niveau de l'élaboration de l'acier ou de sa coulée de maintenir les teneurs en soufre aussi basses que possible, et de plus de fixer le soufre sous forme de sulfures indéformables ou moins déformables à haute température que l'acier. Dans les aciers classiques ce sont surtout les inclusions de sulfure de manganèse s 'allongeant dans le sens de la déformation principale, lors du laminage, qui sont responsables d'une moindre qualité de l'acier. Par contre, si le soufre fixé par d'autres éléments que le manganèse, tels que le calcium, les terres rares et plus particulièrement le cérium, la forme des sulfures et surtout leurs propriétés de déformation à chaud conduisent à une nette amélioration de la résilience. En effet, les terres rares et notamment le cérium ont la propriété de fixer le soufre sous forme de sulfures indéformables ou moins déformables à chaud que l'acier. On peut ainsi contrôler la morphologie des sulfures et leur influence sur les propriétés mécaniques de l'acier. Les éléments auxquels il est fait appel pour la fixation du soufre, en particulier le cérium, sont également des éléments avides d'oxygène et qui agissent sur les oxydes. Ces éléments doivent donc être ajoutés sur un métal parfaitement désoxydé et en évitant le contact avec les oxydes réfractaires. L'oxydation en cours de coulée a une incidence non seulement sur la nature des inclusions, mais aussi sur l'état de surface des tôles issues de lingots dans le cas de la coulée classique. Les inclusions d'oxysulfures denses décantent difficilement ce qui entratne une modification de la fluidité du métal liquide et provoque des ségrégations inverses préjudiciables à l'homogénéité du lingot. Pour les raisons mentionnées ci-dessus, il est difficile de couler à jet ouvert un métal traité au cérium, et dans la pratique de la coulée des lingots classique il est connu d'introduire les additifs directement dans la lingotière au moyen d'un tube d'acier suspendu les contenant. Dans le cas de la coulée continue, il est connu d'introduire des additifs tels que le cérium dans la poche de coulée ou dans le bassin répartiteur. Cependant, le cérium (ou le mischmétal, c'està-dire un mélange d'éléments de la série des terres rares) exerce un effet néfaste sur la coulabilité de l'acier à des teneurs de tordre de 0,020%, La coulée à jet non protégé dans le bassin répartiteur d'un métal traité au cérium conduit donc à des difficultés en raison soit du bouchage de la busette de la poche, soit de celle du répartiteur par suite des amas d'inclusions oxydées qui s'y rassemblent. Pour faciliter la coulée de l'acier, il faut donc protéger le jet de coulée entre la poche et le répartiteur. Lorsqu'on introduit le cérium dans le répartiteur, par exemple au moyen d'un fil de mischmétal, il faut également protéger ce fil par exemple en injectant un courant d'argon si l'on veut éviter le bouchage des busettes. Par ailleurs, l'introduction de mischmétal dans le répartiteur au moyen de fil nu est délicate, d'une part en raison du bas point de fusion du mischmétal, d'autre part à cause des variations du niveau de métal dans le répartiteur qui entraeneraient des variations de teneurs en cérium du produit. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et de fournir un procédé permettant d'obtenir une répartition régulière des additifs dans le métal coulé. Elle a ainsi pour objet un procédé d'introduction d'additifs dans un métal coulé en continu, caractérisé en ce qu'on introduit l'additif dans un moule de coulée continue, sous forme d'un fil gainé le contenant, sous la surface de séparation métal/laitier de couverture. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le fil gainé est introduit à la vitesse de 5 à 20 mètres par minute, à une profondeur de 250 à 700 mm et à une distance de 50 à 400 mm de la busette de coulée dans le plan longitudinal médian de la brame, de façon à ce que la fusion du fil gainé s'effectue au niveau de la partie inférieure des courants descendants de métal liquide issus de la busette. Le fil gainé servant à l'introduction de l'additif se présente de préférence sous la forme d'un tube à section circulaire, carrée ou rectangulaire, de faible diamètre équivalent. Ce tube est en un matériau approprié pour protéger les additifs du contact avec lé laitier de couverture et résister pendant un temps déterminé à la température du métal liquide. Ce tube peut tre notamment en acier. Grâce au procédé de l'invention, les additifs sont ainsi introduits directement dans l'acier liquide coulé dans le moule, ce qui permet d'éviter tout contact avec des corps contenant de l'oxygène. De plus, ltadditif n'étant introduit qu'au dernier moment dans le moule, il est possible de conserver les caractéristiques de coulabilité du métal pendant les opérations antérieures de la coulée de ce dernier. Bien que la présente invention puisse s'appliquer à divers additifs et à divers métaux coulés sous forme de coulée continue, la présente description sera faite en référence à une coulée contre nue d'acier dans lequel on introduit du cérium sous forme de mischmétal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé sur lequel la Fig. 1 est une vue en coupe d'un moule de-coulée continue dans lequel on met en oeuvre le procédé de l'invention; la Fig. 2 est une vue de dessus du moule de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue schématique en coupe longitudinale du fil gainé introduit dans le moule de la Fig. 1; la Fig. 4 est une vue en coupe d'un moule de coulée continue dans lequel est mis en oeuvre un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention; la Fig. 5 est une vue en coupe selon la section droite du fil gainé introduit dans le moule de la Fig. 1. Sur la Fig. l est représenté un moule 1 de coulée continue contenant de l'acier dont une partie 2 est encore liquide, alors que la partie 3 est déjà solidifiée formant une peau. L'acier liquide est surmonté par une couche 4 de laitier ou de poudre de couverture dont l'une des fonctions est d'éviter tout contact avec l'air. Une busette 5 de coulée continue plonge dans l'acier liquide 2, l'acier liquide-s'échappant par des orifices 6 de la busette 5 pour créer les deux types de courant figurés par les flèches. Les courants 7 et 7a sont des courants ascendants qui remontent vers la couche de surface, alors que les courants 8 et 8a sont des courants descendants qui se dirigent vers le fond du puits de métal liquide de la brame 9.L'additif est introduit sous forme d'un fil gainé lO qui plonge dans l'acier liquide 2 en traversant la couche de laitier 4. L'additif est constitué de cérium sous forme de mischmétal qui est contenu dans une gaine d'acier. Cette gaine plonge à une certaine profondeur dans l'acier liquide avant d'être fondue en un point ll situé dans la partie inférieure du courant de métal descendant. Le fil gainé est introduit dans l'acier liquide au moyen d'un dévidoir non représenté, à une vitesse asservie ou non à la vitesse d'extraction de la brame 9. La profondeur à laquelle le fil introduit fond est très importante. En effet, si le fil fond trop tt, le mischmétal risque de remonter dans le laitier de couverture et de le perturber par formation de cordons et de croûtes nuisibles à l'aspect de surface et qui risquent de provoquer des percées de brame dans la machine. Par contre, une fusion trop profonde du fil conduit à une hétérogénéité de la répartition du cérium dans la brame.La profondeur à laquelle le fil gainé fond doit être telle que la zone de fusion du fil se trouve au moins dans la partie inférieure du courant de métal sortant de la busette, la distance du fil gainé à la busette étant comprise entre'50 et 400 mm et de préférence 100 et 150 mm. Les caractéristiques du fil (diamètre, épaisseur de la gamine) ainsi que la profondeur de la zone de fusion que l'on désire atteindre sont déterminées à l'aide des formules exposées ci-après en référence à la Fig. 3. Sur cette figure est représenté schématiquement le fil gainé introduit sous la couche de laitier de couverture dans l'acier en fusion L'évolution de ce fil comprend deux étapes, phase I et phase II. Dans la phase I, le fil gainé ayant un diamètre initial d voit sa gaine protectrice en acier s'épaissir par solidification de l'acier liquide et atteindre un diamètre D. La chaleur ainsi absorbée par le fil gainé sert à élever sa température jusqu'au liquidus de l'acier et à fondre le mischmétal contenu dans la gaine d'acier. Au cours de la phase II le diamètre atteint par la gaine diminue et il se produit finalement une fusion de la gaine qui libère l'additif dans le courant descendant d'acier liquide. Au cours de la première phase d'accroissement du diamètre le fil gainé pénètre d'une profondeur Ll dans l'acier et au cours de la phase Il il pénètre d'une longueur supplémentaire L2 dans l'acier avant de fondre. La profondeur de pénétration L = L1 + L2 est donnée par la formule suivante dans laquelle f F est la masse volumique de l'acier, V est la vitesse d'introduction du fil gainé, LF est la chaleur latente de fusion pour l'acier, D est le diamètre maximal du fil gainé, d est le diamètre d'introduction du fil gainé, k et k' sont des coefficients de transfert relatifs respectivement à la phase I et à la phase Il. Cette formule est valable pour l'introduction de mischmétal à des vitesses de fil gainé comprises entre 5 et 25 mètres par minute. te diamètre D maximal obtenu à la fin de la phase I est donné par la formule suivante dans laquelle 4 est le coefficient de remplissage volumique en mischmétal, CF et CM sont respectivement la chaleur spécifique de l'acier et du mischmétal, V est la vitesse d'introduction du fil gainé, P F et PM sont respectivement la masse volumique de l'acier et du mischmétal. La vitesse d'introduction du fil gainé dans le moule est déterminée en fonction du débit d'acier dans le moule de coulée continue et du rendement de l'addition par la formule suivante dans laquelle V = la vitesse d'introduction du fil gainé en m/mn, a est la teneur en additif du fil en kg/m,est le rendement de l'addition,Q est le débit d'acier dans le moule de coulée continue en t/mn, P est la teneur en additif recherchée en kg/t d'acier. Dans le mode de réalisation représenté à la Fig. l on a introduit les additifs sous forme d'un fil gainé 10, mais il est également possible de les introduire sous forme de deux fils ainsi que cela est représenté en trait mixte pour le fil gainé 12. Le fil gainé 10 est introduit à une distance de 50 à 400 mm et de préférence de 100 à 150 mm de la busette de coulée, dans le plan longitudinal médian de la brame ainsi que cela est indiqué sur la Fig. 2. Ce mode de réalisation conduit à une répartition dissymétrique des additifs dans l'acier, mais qui peut être très acceptable au niveau des caractéristiques mécaniques que l'on cherche à conférer aux tôles laminées. Si l'on désire obtenir une répartition symétrique des additifs dans la brame d'acier, il est possible d'introduire deux fils gainés répartis symétriquement par rapport à la busette dans le plan longitudinal médian de la brame. Quel que soit le mode- d'introduction utilisé, il est préférable qu'il soit asservi à la vitesse d'extraction de la brame de façon à garder une teneur en additifs constante. L'injection dissymétrique (un seul fil gainé) donne une répartition dissymétrique de l'addition au niveau de la peau, mais quasi symétrique au milieu de la brame. Cela tient au fait que la peau qui a une épaisseur de 2 cm environ, se solidifie dans le premier mètre de la machine, épaisseur que les courants de recirculation du métal affectent peu. Au sein même de la brame au contraire, l'addition a le temps de se répartir puisque le puits liquide mesure entre 10 et 15 m de long. Cette dissymétrie chimique globale se retrouve au niveau des tôles et peut provoquer une dissymétrie des caractéristiques mécaniques. Cependant,comme le montrent les résultats d'essais à propos de la résilience, on n'observe pas d'effets d'un tel procédé d'addition sur l'homogénéité des caractéristiques mécaniques. L'introduction de cérium est donc possible au moyen d'un seul fil gainé dont le déroulement commence avec le début de la coulée en continu. Dans le cas de l'introduction de deux fils gainées, on opère suivant le meme processus. Lors de la coulée continue, le rendement de l'addition sous forme de mischmétal gainé est augmenté d'environ 60 % parrepport au rendement constaté en coulée classique dans laquelle on aJoute le cérium sous la forme de mischmétal contenu dans un tube d'acier et suspendu dans la lingotière. Cette amélioration de rendement en coulée continue permet de réduire de façon importante la quantité de mischmétal introduite par tonne d'acier. L'aspect de surface est très bon et ne demande pas systématiquement un écriquage à 100 %, un simple écriquage manuel pouvant suffire. Après laminage le nombre de tôles atteintes de pailles est nettement inférieur à celui que l'on obtient en coulée classique. Ce phénomène résulte de l'introduction de cérium suffisamment profondément, c'est-à-dire au-dessous du niveau des-courants de recirculation ascendants qui contiennent donc peu de cérium. La première peau solidifiée sans cérium présente des qualités rencontrées sur les brames normales, c'est-à-dire une absence d'incrustation de peaux, de croûtes noyées, d'inclusions sous-cutanées. Malgré l'introduction dissymétrique du mischsr5tal, on n'observe pas de dissymétrie au niveau des caractéristiques mécaniques, les écarts de cellessi restant toujours inférieurs å la dispersion des mesures. Par ailleurs, on a pu constater que la quantité d'acier brut nécessaire pour obtenir 1000 kg de produit fini de bonne qualité est très nettement inférieure dans le cas de la coulée continue suivant le procédé de l'invention par rapport à la coulée classique. Sur la Fig. 4 on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la busette 5 de coulée continue est dissymétrique et comporte deux orifices 13, 14 de coulée de dia -mètre différent. Ce mode de réalisation permet, grâce à l'introduction d'un seul fil gainé 12 du côté opposé au départ de la busette par rapport à l'axe du plan longitudinal médian de la brame, d'obtenir une répartition plus uniforme des additifs à l'intérieur de la brame ainsi que le montre schématiquement la répartition des courants ascendants 7 et 7a et des courants descendants 8 et 8a au niveau desquels sont introduits les additifs au point ll situé dans la partie inférieure des courants descendants. Sur la Fig. 5 est représentée une vue en coupe selon la section droite d'un mode de réalisation du fil gainé. La gaine 15 de forme générale cylindrique comporte un recouvrement partiel et contient l'additif 16. Si la quantité d'additif à introduire dans la brame est très importante, il peut être intéressant que l'addition se fasse sous la forme d'un ruban métallique à section rectangulaire ou carrée afin d'éviter que la vitesse de dévidage ne soit trop rapide et que la profondeur à laquelle le produit est libéré dans la brame ne soit trop grande. Dans le cas où l'on désire introduire plusieurs additifs dans l'acier, on peut introduire un fil formé de plusieurs gaines contenant les divers additifs ou bien un-fil gainé unique contenant un mélange des divers additifs. REVENDICATIONS 1. Procédé d'introduction d'additifs dans un métal coulé en continu, caractérisé en ce qu'on introduit l'additif dans un moule de coulée continue, sous la surface de séparation métallaitier de couverture, sous forme d'un fil gainé le contenant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil gainé est introduit à la vitesse de 5 à 20 m/mn, à une profondeur de 250 à 700 mm et à une distance de 50 à 400 mm de la busette de coulée dans le plan longitudinal médian de la brame, de façon à ce que la fusion du fil gainé s'effectue au niveau de la partie inférieure des courants descendants de métal liquide issus de la busette. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'additif introduit est le cérium sous forme de mischmétal contenu dans une gaine tubulaire d'acier et le métal coulé en continu dans le moule est de l'acier. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit deux ou plusieurs fils gainés disposés symétriquement par rapport à la busette dans le plan longitudinal médian de la brame. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la busette de coulée est dissymétrique et déportée dans le plan longitudinal médian vers un des bords longitudinaux de la brame, le fil gainé étant introduit sur le cAoté opposé au déport.