Brevet FR2459836A1 — publié le 19810116

La présente invention concerne un procédé de désoxy- dation de l'acier par addition d'aluminium puis insufflation d'argon produisant une micropureté exceptionnelle, L'agitation par l'argon de l'acier fondu pour effec- tuer une homogénéisation de la température est bien connue dans l'art. Dans de tels procédés, on injecte de faibles volumes d'un gaz inerte, tel que l'argon, de façon typique 0,03 à 0,06 M3/t, dans une poche d'acier pour refroidir l'acier à une température uniforme convenant à la coulée continue. Une technique courante consiste à plonger une lance ou un faux manchon de quenouille à travers lesquels on admet de l'argon gazeux pendant une durée de 3 à 5 minutes à un débit d'environ 0,28 m /min. On admet généralement que l'agitation par l'argon peut avoir un effet nuisible car une agitation trop importante peut provo- quer une exposition excessive de l'acier à l'atmosphère ou oxyder le laitier ce qui réduit la pureté de l'acier. Le dégazage par l'argon est une autre opération bien connue dans laquelle on insuffle à travers un acier fondupour réduire la teneur en oxygène et en hydrogène, des quantités généralement impor- tantes d'un gaz inerte tel que l'argon, par exemple 10 à 20 fois la quantité utilisée pour l'agitation. Ces opérations nécessitent géné- ralement un appareillage assez compliqué et les coats de traitement sont élevés. On a décrit des postes de finition à l'argon o l'on effectue des additionsfinales d'un désoxydant ou de matières d'alliage dans la poche pendant ou après l'agitation par l'argon. L'agitation est généralement très turbulente. On utilise le traitement par l'argon pour favoriser le mélange des désoxydants ou des matières d'alliage ajoutés, et obtenir ainsi une meilleure utilisation des éléments ajou- tés. et pour produire une homogénéité chimique et thermique. Bien que les injections d'argon puissent nuire à la pureté de l'acier, on a établi qu'une injection contrôlée d'argon dans l'acier fondu peut éliminer certaines inclusions non métalliques telles que les oxydes et les sulfures. Cependant cette épuration est minime et nullement comparable aux divers procédés de dégazage sous vide. Bien que l'on ait mis au point des techniques d'insufflation de faibles volumes d'argon pour mélanger un acier fondu, le degré de pureté que l'on obtient n'est nullement comparable à celui des techni- ques classiques de dégazage sous vide telles que le dégazage selon le procédé DR. Par exemple une étude a montré quepour une nuance particulière d'acier de four électrique contenant 0,21 à 0,30% de carbone, le produit non épuré a une teneur moyenne en oxygène de 121 ppm. La teneur en oxygène est réduite à 114 ppm par l'agitation classique par l'argon tandis que la teneur moyenne en oxygène d'échan- tillons dégazés selon le procédé DU est de 69 ppm. Il est regrettable que les techniques d'insufflation d'argon ne puissent pas remplacer le dégazage sous vide, car avec l'accroissement de la demande en aciers de qualité supérieure, de nom- breuses aciéries ont une capacité de dégazage sous vide insuffisante. L'invention concerne un procédé pour désoxyder l'acier et obtenir une micropureté exceptionnelle qui consiste à couler un bain d'acier fondu dans un récipient, à ajouter une quantité prédéter- minée d'aluminium à l'acier dans le récipient avant la coulée du pre- mier tiers de l'acier, cette quantité prédéterminée étant comprise entre 0,27 et 1,95 kg/t d'acier, en proportion inverse de la teneur en carbone de l'acier qui est comprise entre 0,03 et 0,60% en poids, à ajouter à la demande du ferromanganèse et du ferrosilicium pour obtenir la composition requise de l'acier tandis que l'on coule les deux tiers finals de l'acier, à établir un laitier non oxydant sur l'acier coulé et à injecter un gaz inerte à travers l'acier à un débit ne dépassant pas 0,28 m3/min pendant une durée de 9 à 20 minutes pour apporter 0,01 à 0,03 lm de gaz inerte/tonne d'acier. Selon la mise en pratique préférée du procédé de l'in- vention, on désoxyde un bain d'acier produit selon un procédé classique quelconque tel que le procédé Martin-Siemens, le procédé électrique, le procédé B.O.P. ou le procédé Q.B.O.P., alors qu'on le coule du récipient de préparation de l'acier selon une technique formant de grosses inclusions non métalliques puis on insuffle de l'argon ou un autre gaz inerte approprié pour éliminer les inclusions. Plus particu- lièrement, le bain d'acier peut être produit selon une pratique connue quelconque et peut consister en un acier à teneur élevée ou faible en carbone. Du fait que l'acier doit être soumis à une insufflation d'argon aux températures ambiantes, on doit élever la température de coulée de l'acier pour compenser l'effet de refroidissement de l'in- sufflation, comme exposé ci-après. Avant de couler l'acier du réci- pient de préparation de l'acier, on dépose dans la poche de coulée une quantité déterminée d'aluminium. Sinon on peut ajouter l'alumi- nium à l'acier coulé pendant la coulée du premier tiers de l'acier. Pendant la période o l'on coule les deux derniers tiers de l'acier, on effectue dans la poche les additions normales de manganèse et de silicium. La quantité d'aluminium que l'on ajoute avant ou pen- dant la coulée du premier tiers doit Gtre rigoureusement déterminée en proportion directe de la teneur en oxygène de l'acier. Comme on ne mesure généralement pas la teneur en oxygène de l'acier liquide, on peut déterminer la quantité d'aluminium ajoutée en proportion inverse de la teneur en carbone. Cependant la proportionnalité varie constam- ment avec la teneur en carbone et par conséquent on a utilisé une courbe illustrant la relation entre la teneur totale en oxygène et la teneur totale en carbone de l'acier liquide pour déterminer la quantité optimale d'aluminium qu'il est nécessaire de faire réagir avec une quantité particulière d'oxygène pour chaque teneur en car- bone. Le tableau I ci-après indique la quantité préférée d'aluminium ajoutée en fonction de la teneur en carbone de l'acier. Bien que l'on préfère ajouter la quantité préférée d'aluminium, la quantité ajoutée peut Otre inférieure d'au plus 0,13 kg/t à la quantité préférée. L'opération de désoxydation effectuée lors des deux derniers stades de la coulée consiste à ajouter la quantité-appro- priée de ferromanganèse et de ferrosilicium pour obtenir la composi- tion chimique appropriée de l'acier. Si on n'introduit pas le laitier du four dans la poche, on doit introduire un laitier réducteur synthé- tique (270 à 360 kg). Si on coule le laitier du four dans la poche, on doit neutraliser le laitier par addition de chaux dans un rapport d'environ 1 partie pour 3 ou 4 parties en poids de laitier du four. Ceci évite la réoxydation de l'acier pendant le traitement ultérieur par un gaz inerte. Après avoir recouvert de laitier, comme précédemment indiqué, l'acier fondu dans la poche de coulée, on rince par insuf- flation d'argon ou d'un autre gaz inerte approprié. Bien qu'un dispo- sitif d'injection quelconque suffise, on préfère utiliser un faux man- chon de quenouille ayant plusieurs petits trous près 'du fond pour assurer la formation de petites bulles d'argon. De façon idéale, le débit d'argon doit Gtre de 0,17 à 0,23 m /min ce qui est légèrement inférieur au débit normalement utilisé lors de l'agitation par l'ar- gon pour l'homogénéisation de la température. On doit poursuivre l'in- Jection pendant au moins 9 minutes et au plus environ 20 minutes. Des durées d'injection inférieures à 9 minutes peuvent être insuffisantes pour épurer l'acier dans la limite du possible, tandis que des durées d'injection supérieures à 20 minutes refroidissent inutilement l'acier sans apporter d'avantage appréciable. La quantité totale d'argon in- jectée est donc normalement inférieure à 0,03 m /t d'acier ce qui est très inférieur à la quantité utilisée dans les pratiques classiques de dégazage par l'argon. L'emploi de cette quantité relativement faible d'argon rend le procédé plus économique et présente l'avantage additionnel de réduire le refroidissement de l'acier lors de l'injec- tion de l'argon. Plus particulièrement pendant les trois à cinq pre- mières minutes d'insufflation, l'acier à la partie supérieure de la poche se refroidit de 14 à 17'C. Ce refroidissement est dû principa- lement au mélange de l'acier plus froid des portions inférieures de la poche. Lorsque la température est uniforme, le traitement par l'argon provoque une baisse de température d'environ l,0C/min alors qu'elle est de 0,60C/min en l'absence d'injection de gaz. L'acier désoxydé et rincé à l'argon selon la pratique ci-dessus a une pureté égale ou supérieure à celle d'aciers traités avec un appareil de dégazage sous vide. Bien que l'on ajoute des quan- tités importantes d'aluminium, l'acier final produit contient de façon typique moins de 0,002% d'aluminium. Cette amélioration est due à une combinaison de circonstances. Tout d'abord, la quantité relativement importante d'aluminium ajoutée à l'acier alors que la teneur en oxygène de l'acier est élevée, favorise la formation d'inclusions dendritiques solides d'alumine. Ces inclusions dendritiques d'alumine sont bien plus grosses que les silicates de manganèsequisont généralement pro- duits par la désoxydation au manganèse et au silicium et par consé- quent s'élèvent plus rapidement que les silicates de manganèse pour flotter avec le laitier de la poche. Le flottement est facilité par le fait que l'alumine dendritique a des branches allongées dont la longueur atteint 40 fois le diamètre. Les autres inclusions qui nor- malement ne se séparent pas rapidement par flottement car elles sont petites ou elles sont entraînées dans les courants de convection de la poche, sont également transportées dans le laitier par les bulles d'argon ascendantes ce qui perme- de les éliminer. Le rinçage par l'argon crée un écoulement ascendant modéré de la tige d'insufflation vers la couche de scories et des courants descendants le long des bords de la poche. Les matières non métalliques qui viennent en con- tact des bulles d'argon sont rapidement entraînées par flottement dans la couche de laitier. Les autres matières non métalliques sont entraf- nées par l'écoulement établi et peuvent ainsi être amenées à la cou- che de laitier. Comme l'indiquent les mécanismes précédemment décrits, une quantité minimale d'aluminium doit être présente et on doit lais- ser un temps minimal pour permettre le flottement approprié des matières non métalliques. L'expérience a montré que la quantité minimale d'alu- minium est celle précédemment indiquée et que le temps minimal est de 9 minutes. Il est également essentiel que le débit d'argon ne dépasse pas 0,28 m /min et de préférence soit compris entre 0,17 et 0,23 m /min. Des débits supérieurs à 0,28 m /min produisent des turbulences exces- sives ce-qui met une quantité plus importante d'acier en contact avec l'atmosphère et-provoque une réoxydation excessive de l'acier. Pour obtenir les résultats optimaux, on préfère abaisser la tige d'insuf- flation verticalement en un point situé environ au tiers du diamètre de la poche avec la base de la tige située à 30 cm du fond de la poche. On doit commencer A faire s'écouler l'argon avant de plonger la tige de façon à éviter que l'acier nereflue dans la tige. Si la zone de tur- bulence autour de la tige est supérieureà environ 60 à 90 cm de dia- mètre, on doit réduire le débit pour rester dans ces limites. Si l'on désire interrompre l'injection, par exemple pour contrôler la tempé- rature, on retire la tige sans arrêter l'écoulement du gaz. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants. Exemples. Les exemples ci-après illustrent une série d'essais visant à établir les paramètres critiques du procédé. Dans ces essais, on traite 50 bains d'acier à grain grossier désoxydé au silicium pro- duit au four électrique destinés à la coulée continue. Généralement on dégaze cette nuance d'acier selon le procédé DH. Ces 50 bains ont des teneurs en carbone comprises entre 0,08 et 0,49%. On injecte l'argon en un poste normalement utilisé pour l'agitation par l'argon de façon à effectuer l'homogénéisation de la température avant la coulée continue. On effectue l'injection au moyen d'un faux manchon de quenouille ayant un trou de 6 mm de diamètre. Dans le cas de quel- ques bains, on bouche le trou unique de la tête du faux manchon de quenouille et on perce de nombreux trous plus petits (25 à 40) dans les côtés au voisinage de la base. On fait varier les quantités d'alu- minium ajoutées, les débits d'injection d'argon et les durées d'injec- tion pour étudier l'effet de ces variations. Dans chaque essai, on commence l'écoulement de l'argon avant de plonger la tige creuse et on le poursuit à un débit d'environ 0,28 m /min ou moins. La durée normale de traitement pour l'homogénéi- sation de la température est de 3 à 5 minutes, mais on traite par l'argon 26 des 50 bains pendant plus de 5 minutes pour établir l'effet d'une durée de traitement plus importante et pour réduire la tempéra- ture à une valeur convenant à la coulée. On suit l'abaissement de la température de ces bains pendant le traitement à l'argon. La chute apparente de température, au voisinage de la partie supérieure de la poche due au mélange avec l'acier plus froid du fond de la poche, est d'environ 14 à 17WC dans les trois à cinq premières minutes de traitement par l'argon. Ensuite la chute de température est d'environ l,00C/min lorsqu'on insuffle de l'argon et de 0, 60C/min en l'absence de traitement par l'argon. Donc pour une durée de traitement de 20 minutes, la chute de température est d'environ 310C. Cette valeur est très comparable à celle obtenue lors du dégazage selon le procédé DH pour environ la même durée de traitement. On détermine au laboratoire la micropureté d'échantil- lons des 50 bains par détermination de l'oxygène par activation neutro- nique et la méthode quantitative classique de microscopie télévisiomie (QTM) et on exprime les résultats de façon habituelle. Le tableau II ci-après indique la teneur en carbone de l'acier, la quantité totale d'aluminium ajoutée, l'aluminium demeurant dans le produit et la quantité préférée d'aluminium ajoutée selon le tableau I établie ultérieurement. La durée du traitement par l'argon figure également. La colonne "classification" présente un résumé simple des résultats et/ou de leur cause. Plus particulière- ment les bains auxquels on attribue le qualificatif "rincés" ont des caractéristiques de micropureté égales ou supérieures à celles des aciers dégazés selon la procédé DH. Les bains ne recevant pas le qualificatif "rincés" ont une micropureté inférieure à celle des aciers dégazés selon le procédé DH et la raison en figure dans la colonne "classification", par exemple "durée courte" indique que le bain n'a pas été traité par l'argon pendant une durée suffisante, etc. On voit que les bains auxquels on a attribué le qualificatif "rincés" ont reçu l'addition minimale d'aluminium prescrite lors de la coulée selon le tableau I et ont été traités par l'argon pen- dant 9 minutes ou plus. Pour illustrer encore les avantages de l'invention, le tableau III ciaprès montre les teneurs finales en oxygène et les micropuretés QTM des bains ayant reçu le qualificatif "rincés" ainsi que les valeurs typiques habituellement déterminées pour des bains de teneur en carbone comparable dégazés selon le procédé DH. Le tableau III montre que parmi les aciers traités selon l'invention, 73% ont une teneur en oxygène et un facteur de longueur égaux ou meilleurs que ceux d'aciers typiques dégazés selon le procédé DR et que 55% ont des pourcentages en volumes égaux ou meilleurs que ceux d'aciers dégazés selon le procédé DE. Comme le montre le tableau IV ci-après, ces valeurs constrastent avec des valeurs comparables correspondant à d'autres bains n'ayant pas reçu le qualificatif "rincés". Le tableau IV montre que les résultats des bains classés "durée courte" sont suffisamment bons avec des teneurs en oxygène et des paramètres de micropureté égaux ou supérieurs dans 55 à 64% des cas à ceux des aciers dégazés selon le procédé DR. Par conséquent la durée de traitement pourrait être quelque peu inférieure à 9 minutes et cependant convenir, bien que l'on puisse dans ce cas prévoir une certaine diminution de la reproductibilité. Bien entendu diverses modifications peuvent être ap- portées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sor- tir du cadre de l'invention., TA B L E A U I Teneur en carbone Quantité préférée (%) d'aluminium ajoutée kg/t 0,03 0, 04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,30 0,32 0,40 0,42 0,50 0,52 0,60 > 0,60 1,95 1,75 1,55 1,37 1,17 1,00 0,92 0,82 0,72 0,65 0,60 0,56 0,52 0,50 0, 46 0,40 0,37 0,34 0,32 0,29 0,29 0,27 0,27 T A B L E A U I I Teneur en Teneur Quantité Durée du carbone totale en A préférée de Ai traitement Cass catin du produit du produit ot ajoutée par l'argon %) (%) kgt) (kg/t) (min) 0,23 0,003 0,003 0,002 o,oo2 0,005 0,003 0,004 0,002 0,006 0,010 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,003 0,002 0,25 0,25 0,31 0,25 0,25 0,43 0,12 0,37 0,50 0,25 0,43 0,12 0,50 0,87 0,50 0,50 0,37 0,37 0,37 0, 37 0,50 0,37 0,50 0,50 0,37 0, 50 0,51 0,42 0,35 0,52 0,50 0,50 0,31 0,46 0,50 0,50 0,29 0,47 0,47 0,51 0,51 0,42 0, 57 0,52 0,40 0,54 0,46 0,46 0,46 0,57 -1 4e j i T A B L E A U III Teneur en JIMicro pureté QTM, carboneraiLement Nombre dei oxygène Micropuret TM riTemeu e 1 carbone Traitemnt coulées (Ppm)quart/centre (%7) cuesVolume (%) Facteur de longueur 0,06-0,09rincé, non dégazé - 77 0, 05/0,05 14/12 dégazd DH 20 103 0,11/0,13 29/40 0,10-0,14rincé, non dégazé - 50 0,04/0,06 0/3 dégazé DH 5 65 0,06/0,08 6/18 0,21-0,30rincé, non dégazé - 64 0,05/0,11 7/36 _66 0,15/0,20 23/37 - 58 0,07/0,10 2/10 - 42 0,06/0,08 2/16 - 33 0 18/0,20 1/10 - 113 0,1o5/0,26 14/56 - 119 0,05/0 20 12/57 - 42 0,03/0,04 4/3 dégazé DH 78 69 0,10/0,14 19/37 0,40-0,50rincé, non dégazé - 46 o0,05/009 0/8 dégazé DR 10 43 0,07/0,07 12/8 rapport dégazé/total 8/11 i 6/11 8/11 i j-. t.', M tn o Co LN TABLEAU I v Pourcentage de résultats égaux ou supérieurs à Traitement i Nombre ceux du procédé DH de coulées o nvolume Facteur __ __ |_ge(7e)delongueur rincé il 73 55 73 agité, durée courte il 55 55 64 agité, faible teneur en Ai 7 O | 14 14 agité, durée courte, 21 4 faible teneur en Ail 245-9836 R E V E N D IC A T I 0 N S 1. Procédé pour désoxyder l'acier et produire une micro- pureté exceptionnelle, consistant à couler un bain d'acier fondu dans un récipient, à ajouter de l'aluminium, du ferromanganèse et du ferro- silicium à la demande pour satisfaire à la composition requise de l'acier et à injecter un gaz inerte dans l'acier, caractérisé en ce que la quantité d'aluminium ajoutée est comprise entre 0,27 et 1,95 kg/t d'acier, en proportion inverse de la teneur en carbone de l'acier dans la gamme de 0,03 à 0,60% en poids de carbone, on ajoute l'aluminium avant la coulée du premier tiers de l'acier, on ajoute le ferroman- ganèse et le ferrosilicium pendant la coulée des deux tiers finals de l'acier, on établit un laitier oxydant sur l'acier coulé, et on injecte le gaz inerte à travers l'acier à un débit ne dépassant pas 0,28 m3/min pendant une période de 9 à 20 minutes pour apporter 0,01 à 0,03 m de gaz inerte/tonne d'acier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute l'aluminium dans le récipient avant la coulée de l'acier. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que la quantité préférée d'aluminium ajoutée exprimée en kg/t est indiquée ci-après Teneur en carbone Quantité préférée (%) |d'aluminium ajoutée kg/t 0,03 1,95 0,04 1 1,75 0,05 1,55 0,06 1 1,37 0,07 1,17 0,08 1,00 0,09 0,92 0,10 0,82 0,12 0,72 0,14 0,65 0,16 1 0,60 0,18 0,56 0,20 0,52 0,22 0,50 0,24 0,46 la quantité minimale d'aluminium ajoutée étant inférieure de 0,13 kg/t à la valeur préférée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'on injecte le gaz inerte à un débit de 0,17 à 0,23 m3/min. Teneur en carbone Quantité préférée () d'aluminium ajoutée kg/t 0,30 0,40 0,32 0,37 0,40 0,34 0,42 0,32 0,50 0,29 0,52 0,29 0,60 0,27 > 0,60 0,27