Brevet FR2392118A1 — publié le 19781222

La présente invention concerne la fabrication des métaux ferreux, et a notamment pour objet un mélange exothermique destiné à former du laitier. L'invention peut être appliquée ålwaffinage hors-four des aciers spéciaux, par exemple : acier pour roulements à billes, acier inoxydable, etc. Il est connu que, dans llhistoire de la métallurgie, le procédé Martin acide a précédé le procédé basique L'incon vénient du procédé acide résidait dans les basses vitesses d'oxydation des impuretés; toutefois la haute qualité du métal obtenu justifiait la longue durée du procédé. D'autre part, les besoins toujours croissants en métal de haute qualité incitaient à chercher des procédés d'élaboration plus rentables. Un procédé plus rentable d'élaboration d'acier de haute qualité est celui de son élaboration au four Martin basique ou au convertisseur.Pour améliorer la qualité de l'acier élaboré, on le traite en poche avec des laitiers basiques synthétiques Les études et l'expérience de plusieurs usines soviétiques et étrangères ont prouvé que la qualité de l'acier traité aux laitiers basiques ne dépend pas du procédé employé pour son élaboration (four Martien basique ou convertisseur) et correspond à la qualité de l'acier élaboré au four électrique, auquel il eaapêae supérieur par certaines de ses caractéristiques. Cependant, l'affinage en poche de l'acier avec des laitiers basiques synthétiques permet de réduire considérablement la teneur de l'acier an impuretés sous formalinclusions de sulfure, tandis que la teneur en oxygène et en inclusions d'oxyde Wes plus dangereuses ne baisse que faiblement . D'autre part, dans certains cas, la désoxygEnation(et non pas l'élim$- nation du soufre) et l'obtention dans le métal d'inclusions non métalliques d'une composition et sous une forme favorables, par exemple lors de l'élaboration des aciers pour roulements à billes et inoxydables, revêtent une importance primordiale. De ce point de vue, le procédé le plus prometteur de fabrication d'aciers de haute qualité est celui dans lequel l'élaboration de l'acier s'effectue dans une installation à haut rendement (four Nartin basique, convertisseur, etc.) et est suivie d'untraitement en poche avec un laitier acide synthétique. On connaît un procédé d'obtention de laitier synthétique dans une installation à part, le plus souvent dans un four électrique. Ce procédé nécessite de gros investissements de capitaux. Dans la plupart des cas, les installations de fusion de laitier ne peuvent être implantées dans les aciéries existantes, et en outre il est difficile de combiner le fonctionnement des installations de fusion de laitier et d'acier. On connaît aussi un procédé d'obtention de laitier synthétique à partir d'un mélange exothermique ayant la composition suivante : 13 à 16 en poids de poudre d'aluminium, 12 à 16X en poids de salpêtre, le reste étant constitué d'un composant contenant de la silice (certificat d'auteur d'in- vention soviétique ci. 18 b, 5/54, C 21c, N 246548 , du 18.2.69) Le choix de la poudre d'aluminium en tant que matière combustible s'explique par le fdt que, en comparaison d'autres matières , elle dégage la plus grande quantité de chaleur par unité de poids, qu' elle est relativement bon marché et facilement disponible sur le marché. Le salpêtre utilisé dans le mélange peut être le salpêtre de sodium ou de potassium. Le choix du salpêtre en tant que source d'oxygène est dû au fait qu'il contient une grande quantité d'oxygène et son effet thermique est très grand en comparaison d'autres oxydants (oxydes de métaux, nitrites, etc.) En tant que composant contenant de la silice on peut utiliser du sable quartzeux, des blocs de silicates, etc., qui servent à introduire dans le laitier la quantité nécessaire de silice , qui est un composant basique raffineur. Dans ce cas, la composition dudit mélange n'assure pas la possibilité de sa combustion et, par conséquent , l'obtenu tion d'un laitier liquide pouvant être utilisé pour l'affinage de l'acier en poche, et notamment, l'abaissement de la teneur en oxygène et en inclusions non métalliques de caractère oxyde. L'invention a pour but de créer un mélange exothermique formant du laitier, dont la composition assurerait sa combustion en vue d'obtenir un laitier liquide destiné à l'affinage de l'acier en poche. Ce problème est résolu du fait de la création d'un mélange exothermique formant du laitier pour l'affinage de l'acier , du type contenant de la poudre d'aluminium, du salpêtre, un composant contenant de la silice, caractérisé selon l'invention, en ce qu'il contient , outre les compo sants prêtés, de l'oxyde de calcium, de la perlite gonflée ou du spath fluor, et un composant contenant du silicium. La composition du mélange proposé assure l'obtention d'un laitier liquide susceptible de réaliser l'affinage de l'acier vis-à-vis de l'oxygène et des inclusions non métalli- ques de caractère oxyde. Lez auteurs de l'invention ont constaté que la vitesse de combustion du mélange pouvait être augmentée en accroissant sa teneur en matières combustibles. Toutefois, comme les calculs l'ont démontré , l'augmenta tion de la vitesse de combustion du mélange par l'accroisse ment de sa teneur en aluminium est irrationnelle, puisque cela rend le procédé de fabrication du mélange beaucoup plus onéreux. L'expérience a montré que le moyen le plus efficace de régler la vitesse de combustion du mélange dans une large plage était la présence , dans le mélange, d'oxyde de calcium et de faibles quantités de fluorures (perlite gonflée ou spath fluor). L'introduction d'oxyde de calcium dans la com- position du mélange a permis , comme l'a montré l'analyse du diagramme d'état Cao-Al2O3 - SiO2, d'abaisser jusqu'à 1300 -14000C la température de fusion du laitier obtenu, qui influe indirectement sur la vitesse de combustion du mélange. n est très avantageux d'utiliser un mélange exothermi que ayant la composition ci-après (% en poids) : - poudre d'aluminium 0,1 à 15 - salpêtre de sodium....................24 à 40 - oxyde de calcium.......................5 à 15 - composant contenant du silicium 0,1 à 20 - spath fluor ou perlite gonflée 5 à 15 - compostant contenant de la silice le reste La quantité d'agents réducteurs (poudre d'aluminium, composant contenant du silicium ) et d'oxydant (salpêtre de sodium) est choisie de manière à assurer le dégagement de la quantité de chaleur nécessaire à la fusion du mélange et au chauffage du laitier jusqu'à la température de l'acier (1550 à 16500c) , c'est-à-dire que le pouvoir calorifique du mélange doit être de 3000 à 3500 kJ par kg de mélange, Le salpêtre de sodium est introduit en proportion stoechiométrique par rapport à l'agent réducteur. La grosseur des particules de substances combustibles ne doit pas dépasser 1,5mm pour éviter une brusque diminution de la vitesse de combustion du mélange et par conséquent du processus de formation du laitier. Suivant lune des variantes de réalisation de l'inven- tion, il est utile d'utiliser un mélange exothermique dont le composant contenant du silicium est constitué de poudre de silicium en quantité comprise entre 0,1 et 6% (poids) les autres composants tant introduits dans les proportions ci-après (% en poids):: - poudre d'aluminium 9 à 15 - salpêtre de sodium 28 à 3D - oxyde de calcium 5 à 15 - spath fluor ou perlite gonflée 5 à 15 - composant contenant de la silice le reste Le pouvoir calorifique du mélange , qui est de 3000 à 3500 kJ/kg, correspond à une teneur du mélange an poudre d'aluminium de 15% , ou une teneur de 0,1 à 6% en poudre d'alu minium mélangée avec le composant contenant du silicium. Les expériences réalisées ont montré que le remplacement de l'aluminium par le silicium en quantité supérieure à 6% est irrationnel, puisque cela aboutit à un abaissement considérable de la vitesse de combustion du mélange, et que quand la proportion de silicium est de 8% , le mélange ne brûle pas. Le remplacement partiel de la poudre d'aluminium par la poudre de silicium est justifié par le fait qu'il permet d'augmenter dans le laitier obtenu la teneur an composant raffineur principal , c ' est-à-dire en silice, et de diminuer la teneur an alumine qui a pour effet de détériorer les propriété du laitier. Suivant une autre variante de réalisation de l'invention, il est avantageux d'utiliser un mélange exothermique dont le composant contenant du silicium est le silicocalcium en quantité de 5 à 20% , en association avec du minerai de manganèse en proportion de 0,1 à 2096; les autres composants étant introduits dans les proportions ci-après (% en poids):: - poudre d'alusinium 0,1 à 10 - salpêtre de sodium 24 à 40 - oxyde de calcium 5 à 15 - spath fluor ou perlite gonflée 5 à 15 - composant contenant de la silice le reste L'utilisation, en tant que composant combustible, de silicocalcium en quantité de 5 à 20% est justifiée par le fait qu'il exclut, lors de la combustion du mélange, la formation d'alumine susceptible d'entratner l'apparition dans l'acier de grosses inclusions du type corindon, ce qui, dans beaucoup de cas, détériore la qualité du métal. La présence de minerai de manganèse dans le mélange, cons le prouvent les expériences, influe sur la composition et le genre des inclusions oxydes. En présence, dans le mélange exothermique , de minerai de manganèse en quantité de 0,1%, les inclusions dans l'acier se présentent sous forme d'oxydes cassants; lorsque la teneur du mélange en minerai de manganèse est égale à 20% , les inclusions se présentent sous forme d'oxydes plastiques. il est important de tenir compte de cette circonstance lors du choix de la composition du laitier pour l'affinage des aciers de différentes nuances. Le mélange exothermique ayant la composition proposée présente des avantages considérables en comparaison des mélanges exothermiques connus du même type, ce qui est prouvé par les expériences réalisées. EXEMPLE 1 Pour le traitement de l'acier à carbone moyen élaboré au four Martin basique et contenant 0,0151% d'oxygène, on a utilisé, dans une poche de 140t de capacité , 4,5 t de mélange (constituant 3% en poids de l'acier) de composition suivante(%en poids) - poudre d'aluminium 15 - poudre de silicium 0,1 - salpêtre de sodium 28 - oxyde de calcium 10 - spath fluor 5 - sable quartzeux le reste Lors de la combustion de ce mélange il se forme un laitier liquide chauffé jusqu'à la température de 16000C efoon- tenant : 46% de silice, 17% d'oxyde de calcium, 26% d'alumine, 5% d'oxydes de sodium, 5% de fluorures, le reste étantkonsti- tué par des impuretés. Après traitement, l'acier contenait 0,0055% d'oxygène, c' est-à-dire que le degré de désoxygénation constituait 65%. On a aussi constatd une amélioration des caractéristiques mécaniques du métal, en particulier de sa résilience. EXEMPLE 2 Pour l'affinage en poche d'un acier pour roulements à billes contenant approximativement 1% de carbone et 1,5% de chrome et élaboré dans un four électrique à induction dont la capacité était de 0,5 t , on a utilisé un mélange exothermique (en quantité égale à 6% du poids du métal) de la composition suivante (% en poids) - poudre d'aluminium 9 - poudre de silicium 6 - salpêtre de sodium 30 - oxyde de calcium 15 - perlite gonflée 15 - bloc de silicates le reste Lors de la combustion de ce mélange, le laitier contenait 50% de silice, 16% d'oxyde de calcium, 18% d'alumine, 10% d'oxyde de sodium, le reste étant constitué d'impuretés, La teneur finale en oxygène de l'acier pour roulements à billes après son traitement en poche avec ce laitier était de 0,0042%. EXEMPLE 3 Un acier pour roulements à billes , contenant approximativement 1% de carbone et 1,5% de chrome, a été élaboré dans un four électrique à induction dont la capacité était de 0,5 t et a été traité ensuite dans une poche avec du laitier obtenu à partir d'un mélange exothermique t raison de EX du poids du métal) de composition suivante (% en poids) : - poudre d'aluminium 12 - poudre de silicium 3 - salpêtre de sodium 29 - oxyde de calcium 10 - spath fluor 7 - sable quartzeux le reste Le laitier obtenu avait la composition ci-après s 48% de silice, 14% d'oxyde de calcium, 24% d'alumine, 6% de fluorures, 8% d'oxydes de sodium. Après traitement , l'acier contenait 0,0045% d'oxygène Les inclusions globulaires avaient un assez bas point ( tandis que celui des inclusions oxydes était compris entre 2,5 et 3,0. EXEMPLE 4 Un acier pour roulement à billes, contenant approxima- tivement 1% de carbone et 1,5% de chrome, a eté élaboré dans un four électrique à induction dont la capacité était de 0,5 t et a été traité dans une poche avec du laitier obtenu à partir d'un mélange exothermique (la consommation du mélange était de 6% du poids du métal) ayant la composition suivante ai en poids ) - poudre d'aluminium 0,1 - silicocalcium 20 - salpêtre de sodium 40 - oxyde de calcium 15 - spath fluor 5 - minerai de manganèse 0,1 - bloc de silicates le reste Le laitier obtenu avait la composition suivant (% en poids) : 60% de silice, 20% d'oxyde de calcium, 1,5% d'alumine, 12% d'oxydes de sodium, 2% de fluorures , le reste étant constitué d'impuretés. Les inclusions globulaires avaient un point compris entre 0,5 et 1,0, tandis que celui des inclusions oxydes était compris entre 1,5 et 2,0. EXEMPLE 5 -Un acier pour roulements à billes, contenant approximativement 1% de carbone et 1,5% de chraee, a été élaboré dans un four - électrique à induction dont la capacité était de 0,5t, et a été ensuite traité dans une poche avec dii laitier obtenu å partir d'un mélange exothermique (6% du poids du métal) de composition ci-après (% en poids) : - poudre d'aluminium 10 - silicocalcium 5 - salpêtre de sodium 28 - oxyde de calcium 5 - minerai de manganèse 20 - perlite gonflée 15 - sable quartzeux le reste Le laitier obtenu avait la composition suivante tK en poids) : 45% de silice, 18% d'alumine, 8% d'oxydes de sodium, 15% d'oxydes de manganèse, 10% oxyde de calcium, le reste étant constitué d'impuretés. Les inclusions globulaires avaient un point assez bas (0,5 à 1,0), cela des inclusions oxydes était de 1,5 à 2,5. EXEMPLE 6 Un acier pour roulements a billes, contenant approximati- vement 1% de carbone et 1,5% de chrome, a été fondu dans un four électrique dont la capacité était de 60 t. Pour son affinage on a utilisé un laitier obtenu à partir d'un mélange (5,' du poids du métal) ayant la composition suivante (% en poids) - poudre d'aluminium 5 - silicocalcium 11 - salpêtre de sodium 28 - oxyde de calcium 10 - spath fluor 7 - minerai de manganèse 15 - sable quartzeux le reste. Le laitier obtenu avait la composition suivante (% en poids) : 39% de silice, 10% dtalumine, 27% d'oxyde de calcium, 10% d'oxydes de manganèse, 10% d'oxydes de sodium, 5% de fluorures. Après traitement, l'acier contenait 0,0050X d'oxygène quant aux inclusions oxydes et globulaires dans un profil de 20 mm de diamètre, elles étaient représentées par un point bas (0,5 à 1,0). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux apodes de réalisation décrits et qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Mélange exothermique générateur de laitier pour l'affinage de métal, du type contenant de la poudre d'aluminium, du salpêtre, un composant contenant de la silice, caractérisé en ce qu'il contient, outre les composants précités, de l'oxyde de calcium, de la perlite gonflée ou du spath fluor, et un composant contenant du silicium. 2. Mélange exothermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient (% en poids) : - poudre d'aluminium 9,1 à 15 - salpêtre de sodium 24 à 40 - oxyde de calcium 5 à 15 - composant contenant du silicium 0,1à 20 - perlite gonflée ou spath fluor 5 à 15 - composant contenant de la silice le reste. 3. Mélange exothermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, en tant que composant contenant du silicium, il contient de la poudre de silicium à raison de 0,1 à 6,QX en poids, les autres composants étant introduits dans les proportions suivantes (% en poids) - poudre d'aluminium 9 à 15 - salpêtre de sodium 28 à 30 - oxyde de calcium 5 à 15 - perlite gonflée ou spath fluor 5 à 15 - composant contenant de la silice le reste, 4. Mélange exothermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, en tant que composant contenant du silicium, il contient du silicocalcium à raison de 5 à 20,0% enpoids en association avec du minerai de manganèse à raison de 0,1 à 20 en poids, les autres composants étant introduits dans les proportions suivantes (X en poids) - poudre d'aluminium 0,1 à 10 - salpêtre de sodium 24 à 40 - oxyde de calcium 5 à 15 - perlite gonflée ou spath fluor 5 à 15 - composant contenant de la silice le reste.