Brevet FR2517328A1 — publié le 19830603

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour le traitement et l'affinage d'alliages métalliques liquides par chauffage à l'arc électrique à courant continu sous un électrolyte de laitier d'affinage liquide, et l'utilisation pour la production d'aciers alliés de qualités spéciales et aussi d'alliages affinés en profondeur. On connaît des procédés et des dispositifs pour le traitement et l'affinage, hors d'un four, d'alliages métalliques liquides et en particulier de fontes, consistant à chauffer le métal au cours de son traitement à l'aide d'un arc électrique à courant alternatif en combinaison avec une agitation permanente de la masse fondue par insufflation d'un gaz inerte ou à l'aide d'un agitateur électromagnétique. L'inconvénient essentiel du procédé ASEA-SKF réside dans la nécessité d'effectuer les opérations de chauffage et d'affinage avec un dégazage, sui- vant une séquence prédéterminée lors des divers stades de chauffage et du traitement sous vide Dans le procédé de Finkl, en raison du chauffage à l'arc électrique sous vide, on peut réaliser au même degré et simultanément les diverses opérations technologiques, avec cependant un accroissement des frais opératoires en raison de l'emploi du vide. Afin de réaliser les procédés ci-dessus on utilise les dispositifs correspondants qu'on connaît comme des installations à poches de coulée Alors que dans les installations ASEA-SKF, le principal inconvénient est la nécessité d'utiliser deux enceintes séparées; dans les installations VAD-Finkl, on con- sidère que l'inconvénient principal est la complexité de la construction de l'enceinte en raison de l'obligation d'assurer une étanchéité au vide pour les électrodes. Outre la mise de fonds plus importante initiale pour la construction des dispositifs des deux types en raison des inconvénients attribués à l'emploi d'un chauffage à l'arc par courant alternatif, il convient de citer le fait qu'il est impossible d'employer ces dispositifs avec des poches de coulée d'une capacité au-dessous de 15 tonnes. Un procédé d'affinage d'alliages liquides à l'aide d'un arc électrique à courant continu dans la poche de coulée est également connu, mais on ne l'uti- lise pas dans l'industrie par suite des difficultés d'alimentation en courant (électrodes refroidies à l'eau, bobinage électromagnétique). La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour le traitement et l'affinage d'alliages métalliques liquides, par chauffage à l'arc à courant continu dans la poche de coulée, procédé dans lequel par une alimentation symétrique en courant à travers le laitier en tant qu'électrolyte, il devient possible d'assurer la réalisation similtanée des procédés thermo- physiques, physico-chimiques et électrochimiques en aboutissant ainsi à un affinage en profondeur (dégazage, désulfuration), un chauffage électrique hautement efficace sans aucune action d'érosion de l'arc sur le chemisage intérieur de la poche de coulée, une consommation réduite de courant électri- que et des électrodes et un réglage rigoureux du procédé En outre, dans le dispositif qui permet la mise en oeuvre de ce procédé, on bénéficie d'une construction simplifiée; il est inutile de mettre en oeuvre le vide et ôn bénéficie donc d'une réduction importante de la mise de fonds initiale. Selon la présente invention, on atteint l'objectif indiqué avec un procédé selon lequel au moins une partie de la surface de la masse en fusion est soumise à une électrolyse, de sorte que la masse fondue, à travers une couche de laitier liquide en tant qu'électrolyte, participe en qualité d'anode ou de cathode, la connexion avec l'autre pale (la cathode ou l'anode) étant effectuée au moyen d'un ou plusieurs arcs à courant continu. Selon la direction désirée des procédés d'électrolyse, il est possible de changer la polarité de la masse de métal fondu oud'exécuter un chauffage à l'arc électrique à l'aide de trois arcs ou d'un nombre plus important, le cir- cuit étant complété par le laitier en tant qu'électrolyte. Les avantages du procédé sont les suivants: fournir des conditions d'élimination électrochimique des impuretés anioniques nuisibles à partir du laitier, du métal, ensemble avec la mise en oeuvre d'opérations métallurgiques d'alliage et de chauffage; l'homogénéisation et l'affinage sous un laitier synthétique dans la poche de coulée, en évitant l'effet fâcheux d'un bobinage électromagnétique sur le revêtement réfractaire au moyen d'une alimentation en courant symétrique à travers l'électrolyte de laitier; efficacité et souplesse du chauffage; possibilité de régler la composition de l'électrolyte de laitier par une mesure continue de la chute de tension dans le laitier frais opératoires réduits; et possibilité d'un changement de polarité du bain par un simple déplacement des électrodes. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comprend une poche de coulée chemisée d'un matériau réfractaire et équipée d'un dispositif (mécanisme) pour la coulée de la masse fondue sans obturateur; un tampon pore ux pour souffler un gaz neutre à travers le fond ou un agitateur à induc- tion; un couvercle amovible chemisé d'un matériau réfractaire et présentant des alésages pour les électrodes; une ouverture pour introduire les additifs et pour prélever-des échantillons; une ouverture pour l'évacuation des gaz d'échappement; et des électrodes consommables mobiles alimentées par une source de courant continu Les centres des électrodes mobiles positives et négatives sont disposés symétriquement les uns par rapport aux autres suivant une ligne droite En ce qui concerne la source du courant continu, on utilise deux ou plusieurs redresseurs qui fonctionnent indépendamment de sorte que l'établissement du circuit est effectué par un p 8 le commun, à savoir l'un des pôles (+) ou (-) des redresseurs. Les avantages du dispositif selon l'invention sont les suivants une construction plus simple, une réduction des diamètres des électrodes en graphite connectées individuellement en tant qu'anodes; une absence de bruit lors du chauffage quand on utilise le courant continu; une meilleure aptitude à l'automatisation et un meilleur réglage du procédé. Selon une particularité essentielle de l'invention, on met en contact avec la masse métallique fondue des substances qui, à la température du bain et dans les conditions de chauffage à l'arc électrique, forment une couche électrolytique de laitier liquide, ladite couche étant connectée à l'aide d'au moins deux électrodes consommables mobiles individuellement alimentées par les p 8 les positifs de deux ou plusieurs sources de courant continu (redresseurs) en tant qu'anode d'une manière telle que la masse fondue devienne également une anode tandis que sa connexion avec la ou les cathodes est réalisée par un ou plusieurs arcs électriques L'arc cathodique contribue à la réduction de l'hydrogène dissous dans la masse de fusion connectée comme une anode et, par l'introduction d'une quantité appropriée d'un gaz inerte dans l'atmosphère au-dessus de la surface du bain ou par une évacuation respective, on est en mesure d'éliminer l'hydrogène dégagé par l'arc En même temps sont effectués un chauffage efficace du métal, une agitation continue et la mise en contact avec le laitier par l'entremise d'un ou plusieurs arcs électriques à courant continu qui sont établis sur la ou les cathodes Les impuretés anioniques sous 2 2- forme S, O qui sont libérées conformément aux lois de l'équilibre chimique à partir du métal dans le laitier sont déchargées aux anodes et sont libérées principalement sous forme de composés volatils, 5029 C 0, par des réactions électrochimiques secondaires Il existe également une possibilité de changer la polarité de la masse métallique fondue en commutant les sources de courant continu ou en faisant varier les positions des électrodes mobiles, et en assurant le fonctionnement avec l'arc anodique pendant un laps de temps pré- déterminé. Le dispositif selon l'invention est représenté en coupe transversale à la figure 1 et par en dessus à la figure 2 Ce dispositif comprend une poche de coulée 1 en acier, chemisée d'un matériau réfractaire et comportant un mécanisme de coulée sans obturateur 2; un tampon poreux pour insuffler un gaz inerte 3 ou un agitateur à induction 4; un couvercle 5 chemisé de réfractaire 17328 et présentant des ouvertures refroidies à l'eau pour les électrodes 6 dont les centres sont disposés symétriquement sur une ligne droite; une ou plusieurs ouvertures 7 pour introduire les additifs d'alliage et de formation du laitier une ouverture pour évacuer les gaz d'échappement 8; des électrodes mobiles en graphite notamment une cathode 9 et des anodes 10; des sources de courant continu 15 et 16 qui sont connectées selon le schéma prévu avec les électrodes 9 et 10 de sorte qu'un arc électrique 11 est établi sur la cathode 9 et que les anodes 10 sont plongées dans le laitier 13 qui recouvre la masse métallique fondue connectée aux bornes du laitier servant d'anode Par une mesure continue à l'aide d'un dispositif enregistreur 14 de la chute de tension sur les anodes dans le laitier, on peut régler la composition chimique et les propriétés de l'électrolyte de laitier 12. Les figures 3 et 4 représentent schématiquement l'agencement des anodes 10 (A 1 et A 2) par rapport à la cathode 9 (K) de sorte qu'en élevant les anodes A et A 2 au-dessus du laitier 12, on obtient une déviation maximale de l'arc, à savoir que les anodes s'écartent du centre vers la périphérie du bain métallique 13. Les figures 5 et 6 montrent la façon dont avec un changement de la charge de courant des anodes 10, à une valeur I à une valeur supérieure à la Al valeur IA 2 ou au contraire de IA 2 à une valeur supérieure à IA 1, on obtient une déviation de l'arc respectivement dans la direction de A 2 (figure 5) et, de A 1 (figure 6) Les figures 7 et 8 représentent un alignement linéaire excentré des anodes 10 pour créer des conditions d'une circulation circulaire des couches supérieures du métal 13 et du laitier en tant qu'électrolyte 12 dont l'agita- tion est intense en raison du soufflage d'un gaz inerte à travers le tampon poreux 3 qui se trouve diamétralement à l'opposé de la cathode 9 à mi-distance de cette cathode. Le dispositif selon l'invention fonctionne comme suit: on verse dans la poche de coulée 1, en évitant que du laitier tombe du four, une quantité prédéterminée de métal liquide 13 et on transporte la poche de coulée sous le couvercle mobile 5 A travers les ouvertures 7 on introduit les agents de for- mation du laitier (chaux, Ca F 2) puis on introduit un gar inerte servant à l'agi- tation à travers le couvercle 3 et on commence l'abaissement des électrodes connectées comme anodes 10 jusqu'à leur venue en contact avec le laitier 12 par l'entremise de l'abaissement anodique mesuré des dispositifs de commande 14. Après cela on abaisse la cathode 9 jusu'aà la zone d'établissement de l'arc électrique 11 dont la combustion a lieu au centre du miroir Dans ce cas, le bain métallique 13 est connecté à travers le laitier 12 sous forme d'une anode. Quand il devient nécessaire de changer la polarité en élevant les i 5. 1 732-8 anodes 10 (A 1 et A 2) au-dessus du bain et en immergeant la cathode 9 dans le laitier, le bain métallique est connecté comme une cathode alors que sur les anodes 10 sont établis des arcs électriques Un tel agencement des électrodes apparaît à la figure 9 en coupe transversale et à la figure 10 en vue de dessus. L'exemple suivant sert à illustrer le procédé et le dispositif selon l'invention Dans une poche de coulée de 6 tonnes ayant une hauteur d'espace libre de 300 mm sur un chariot mobile, on verse à travers une poche de trans- port intermédiaire 5,5 tonnes de laitier liquide sous forme d'acier non désoxydé provenant d'un four électrique Lors de la coulée, la température du métal est de 16200 C et sa composition chimique est comme suit: 0,18 % de C; 0,23 % de Mn; 0,0417 % de Si; 0,024 % de P; 0,12 % de Cr; et 7,73 ppm de H. Après la coulée de l'acier provenant de la poche de transport dans la poche opératoire, on introduit de l'argon pour agiter à raison de 40 à litres par minute et on transfère la poche à l'aide de son chariot pour l'amener sous le couvercle mobile muni de deux anodes ayant 150 mm de diamètre et d'une cathode ayant 200 mm de diamètre et présentant également des ouver- tures pour le prélèvement d'échantillons et l'introduction d'additifs Ensuite avec une agitation continue à l'argon à travers le fond ( 30 litres/minute) et insufflation d'argon ( 60 litres/minute), on établit un chauffage à l'arc a courant continu en utilisant un arc cathodique Les paramètres du chauffage sont les suivants: tension 74 V; intensité: 5 000 A Pendant le chauffage à l'arc, on introduit des agents de formation du laitier (chaux 15 kg/t, spathfluor-2 kg/t, chamotte 1 kg/t) et des agents de désoxydation et d'allia- ge (Fe Mn 6,1 kg/t, Fe Ni 5,6 kg/t, Fe Cr 7,8 kg/t, Fe Mo 3,1 kg/t, Al - 0,9 kg/t). La durée du traitement par arc à courant continu est de 93 minutes. La température du métal dans la poche de coulée avant le traitement est de 15450 C et après le traitement elle est de 15900 C Le rythme de chauffage à l'arc après avoir atteint l'équilibre thermique dans la poche de coulée est de 2,10 C/mn. A la suite de ce traitement, on obtient un acier du type 35 XM ayant la composition chimique ci-après: 0,33 % de C; 0,74 % de Mn; 0,36 % de Si; 0, 030 % de P; 0,0053 % de S 0,92 % de Cr; 0,17 % de Mo; 0,030 % de As; 35 ppm de O; et 5,0 ppm de H. On réalise les performances suivantes: désulfuration 87,3 %; dégazéification 35,0 %; assimilation des agents d'alliage et des alliages de fer 95 %; consommation de courant électrique 99 A Wh/t; consommation d'électro- des 1,09 kg/t h. 6- REVENDICATIONS 1 Procédé pour le traitement et l'affinage d'alliages métalliques liquides par chauffage à l'arc électrique à courant continu, dans lequel au moins une partie de la surface du bain de fusion est soumise à l'électrolyse, caractérisé en ce que la masse fondue, à travers une couche d'électrolyte de laitier liquide, participe comme anode (ou cathode) et en ce -que la connexion avec l'autre électrode cathode (ou anode) est effectuée à l'aide d'un ou plu- sieurs arcs à courant continu, de sorte que selon la direction désirée des procédés d'électrolyse, la polarité de la masse fondue ou du laitier en tant qu'électrolyte est changée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laitier liquide en tant qu'électrolyte participe comme une anode par immersion dans le laitier d'au moins deux électrodes consommables mobiles formant anodes ou en ce que ledit laitier participe en tant que cathode par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs électrodes plongées dans le laitier et formant cathode ou cathodes. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effec- tue le changement de polarité de la masse métallique fondue en changeant la disposition des électrodes positives et négatives. 4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, comprenant une poche de coulée ( 1) chemisée d'un matériau réfractaire et équipée d'un mécanisme ( 2) pour couler la masse fondue sans obturateur, un tampon poreux ( 3) pour insuffler un gaz neutre à travers le fond ou un agitateur à induction ( 4), un couvercle mobile ( 5) chemisé de matériau réfractaire et présentant des alésages pour des électrodes ( 6), une ouverture ( 7) pour introduire les additifs et prélever les échantillons, une ouverture ( 8) pour l'évacuation des gaz d'échappement, et des électrodes mobiles consommables alimentées par une source de courant continu, dispositif caractérisé en ce que les centres des électrodes mobiles positives ( 10) et négatives ( 9) sont placés symétriquement l'un par rapport à l'autre sur une ligne droite de sorte que des redresseurs ( 15) et ( 16) sont indépendants l'un de l'autre et la fermeture des circuits se fait par un pole commun, l'un des p 8 les ( 9) du redresseur ( 15) ou ( 16).