Brevet FR2560891A1 — publié le 19850913

PR=XE DE tPUFIC AI- DES CDTx PAR npSU-FTAIQC" La présente invention concerne un procédé d'affinage de la fonte dans lequel on injecte un gaz oxydant, par exem- ple de l'oxygène industriellement pur, pour éliminer les impuretés oxydables, telles que le carbone, et plus parti- culièrement les procédés dans lesquels tout ou partie du gaz oxydant est injecté sous la surface du métal en fusion. De tels procédés sont connus principalement sous les noms de OBM, QBOP, LWS pour ceux dans lesquels la plus grande partie de l'oxygène est soufflée par le fond, sous les noms de LD-OB, LD-OTB, STB pour ceux dans lesquels seule une faible partie de l'oxygène est injectée sous la surface du bain. Dans les procédés d'élaboration pneumatiques de l'acier les plus couramment utilisés, l'oxygène est soufflé au travers d'une lance au-dessus de la charge de façon que le jet d'oxygène pénètre la masse fondue et forme un laitier très oxydé qui, au contact de la fonte, réagit avec le car- bone pour former du monoxyde de carbone. Avec les procé-dés à soufflage par le fond,l'oxygène est injecté sous la sur- face du bain à travers des tuyères situées dans le fond ou près du fond du convertisseur. Un gaz de protection,en géné- ral un hydrocarbure ou un gaz non oxydant (qui peut être sous forme liquéfiée) est utilisé pour entourer le courant d'oxygène afin de réduire l'usure très importante des tuyères ainsi que des réfractaires du fond du convertisseur. Un des avantages appréciables de ces derniers procédés par rapport aux précédents est la possibilité d'obtenir des rendements supérieurs en métal. Ces rendements sont obtenus principalement parce que: 1.- l'oxygène traversant le bain métallique brasse de façon plus intense le bain et permet une meilleure approche des conditions d'équilibre et, 2.- la quantité de fumées d'oxyde de fer produites est beau- coup plus faible car la réaction d'oxydation du carbone se situe au sein même du métal contrairement aux procédés d'af- finage par le dessus o cette réaction a lieu à l'interface laitier-métal. Il en découle que les procédés d'affinage par le haut sont impropres pour l'obtention, dans de bonnes conditions, des aciers à basses et très basses teneurs en carbone. De nouveaux procédés ont tenté de pallier cet in- convénient: ce sont les procédés LBE, LDAB par exemple, dans lesquels on injecte par le fond un gaz neutre qui favorise le brassage du métal, cependant sans atteindre les procédés dans lesquels une partie de l'oxygène est injectée par le fond. Toutefois ces procédé d'affinage par le fond n'ont pas permis d'obtenir jusqu'à présent, au convertisseur à l'oxy- gène, des aciers à basses et très basses teneurs en carbone ne présentant pas des teneurs élevées en gaz dissous prin- cipalement de l'oxygène. Néanmoins les procédés d'affinage par le fond sont ceux pour lesquels la teneur en oxygène dissous est la plus faible, comparativement aux procédés d'affinage par le haut. La présence d'oxygène dissous dans le métal liquide est particulièrement gênante. Lors de la solidification du métal, cet oxygène réagit avec les éléments oxydables et plus particulièrement avec le carbone résiduel pour former du CO. Il en résulte une teneur en carbone du métal solide plus faible, une inhomogénéité due à la présence de cavités contenant du monoxyde de carbone et surtout, pour les aciers extra doux, la présence d'oxydes métalliques. Il existe plusieurs procédés pour remédier à ces inconvénients. La première de ces techniques est celle dite du calmage. On ajoute au métal liquide, avant la coulée en lingot ou la coulée continue, des éléments très oxydables tels que l'aluminium, le silicium et autres métalloides ou des mélanges de ceux-ci qui réagissent avec l'oxygène dis- sous pour former des oxydes qui décantent et sont piégés par le laitier de couverture. Toutefois, il reste toujours une certaine quantité de ces oxydes dans le métal lors de sa solidification mais la morphologie des inclusions est mieux contrôlée. Une autre technique, utilisée au convertisseur, est la purge du métal à l'aide d'un gaz neutre, principalement de l'azote ou de l'argon. Elle présente l'inconvénient d'être moyennement efficace et de faire varier la teneur en carbone du bain, d'o une plus grande dispersion des teneurs en carbone b la coulée. Les dernières techniques, que l'on peut regrouper sous le terme générique de techniques de traitement sous vide, sont très performantes, mais présentent les inconvé- nients suivants: - gros investissements - coûts de fonctionnement et d'entretien élevés dus aux techniques d'obtention du vide. - pertes de température nécessitant soit une surchauffe è la coulée, soit un système de réchauffage de la masse en fu- sion. - temps de traitement long. Dans les procédés. dans lesquels un gaz contenant de l'oxygène est soufflé à travers une tuyère située sous la surface du bain, l'affinage a lieu en deux étapes: 1. formation d'un microlaitier contenant principalement de l'oxyde de fer selon la réaction: Fe + O --a FeO 2. décantation et réduction de ce mierolaitiers en remontant à traver la masse métallique ce laitier réagit avec le car- bone du bain selon la réaction: FeO + C- CO (gaz) + Fe Durant l'affinage, on peut déterminer deux, périodes: 1. une première période durant laquelle le bain contient suffisamment de carbone pour que tout l'oxyde de fer produit soit réduit: ce qui se passe pour les teneurs en carbone du bain supérieures à une certaine valeur C*. 2. une seconde période durant laquelle le carbone contenu dans la masse métallique est trop faible pour réduire tout l'oxyde de fer produit au nez de la tuyère, ce qui entraîne une baisse notoire du rendement en fer de l'affinage. Dans le brevet français FR-A-2 283 231 est décrite une amélioration apportée aux procédés d'affinage par le fond et qui consiste à injecter un gaz neutre pendant la dernière période de l'affinage. Cependant, comme on le pré- cisera plus loin, la dilution du gaz d'affinage doit être effectuée selon une courbe de variation bien déterminée afin d'éviter l'augmentation de la teneur en oxygène dissous. Par ailleurs, dans le brevet français FR-A-2 448 572 est décrit un procédé d'affinage d'acier à basse teneur en carbone au convertisseur dans lequel de l'argon est intro- duit avec le gaz oxydant à partir d'une valeur prédéterminée de la teneur en carbone, en l'occurrence 0,02%. Or une telle valeur est trop faible pour obtenir de faibles teneurs en oxygène dissous. Pour une telle valeur, la concentration en oxygène dissous est très importante et une injection de gaz neutre ne peut abaisser de façon efficace cette teneur. La présente invention concerne un procédé permettant de remédier aux inconvénients précités et d'obtenir des aciers doux et extra-doux au convertiseur présentant des teneurs en oxygène dissous inférieures à 200 ppm dans le cas des aciers doux (0,08 le cas des aciers extra-doux (%C A cet effet ce procédé d'affinage de la fonte par le fond dans lequel on injecte, dans le bain de métal en fu- sion, un gaz oxydant tel de l'oxygène industriellement pur, et on injecte, pendant la dernière période de l'affinage c'est-à-dire à partir d'une valeur prédéterminée de la te- neur en carbone du bain, un mélange de gaz oxydant et de gaz inerte assurant la dilution du gaz oxydant, la teneur du mélange en gaz inerte variant en fonction de la teneur en carbone du bain, est caractérisé en ce que l'on fait varier la teneur du mélange en gaz inerte, en fonction de la teneur du bain en carbone, suivant une loi correspondant à une courbe de dilution du gaz oxydant qui est située dans une zone déterminée par deux courbes enveloppes, à savoir une première courbe de dilution maximale définie par les por- 256089 1 tions de droites: x = - 766,7%C + 168,7 pour 0,16 dans le mélange et %C est la teneur en carbone du bain mé- tallique à l'instant considéré, le débit total du mélange gazeux (gaz oxydant et gaz inerte) injecté par le fond res- tant sensiblement constant pendant toute la dernière période de l'affinage. Le gaz inerte de dilution injecté durant la dernière période d'affinage peut être choisi dans le groupe compre- nant l'azote, l'argon, l'hélium, le néon, le krypton,le xénon ou tout mélange de ceux-ci. On décrira ci-après,è titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un diagramme illustrant la variation de la teneur en oxygène dissous en fonction de la teneur en carbone du bain métallique, dans le cas des différents pro- cédés d'affinage connus et du procédé suivant l'invention. La figure 2 est un diagramme donnant deux lois de variation.du pourcentage de gaz inerte injecté dans le mé- lange en fonction de la teneur en carbone du bain métalli- que, dans le cas de deux exemples de mise en oeuvre du pro- cddé suivant l'invention, et l'étendue de la plage de varia- tion de la loi précitde. La figure 3 est un diagramme illustrant la variation de la teneur en oxygène dissous en fonction de la teneur en carbone du bain métallique, respectivement dans le cas d'un procédé connu et de deux exemples de mise en oeuvre du pro- cédé suivant l'invention. On se référera tout d'abord au diagramme de la fi- gure 1 qui illustre la façon dont la teneur en oxygène dis- sous, exprimée en ppm en ordonnée, varie en fonction de la teneur en carbone du bain métallique dans le cas de diffé- rents procédés d'affinage. La zone A correspond à des procé- dés connus d'affinage par le haut, la zone B à des procédés connus d'affinage par le fond, la zone C à des procédés connus d'affinage par le fond avec purge, la zone D à des procédés connus d'affinage mixtes et la zone E au procédé suivant l'invention. Sur ce diagramme est tracée également une courbe d'équilibre C,O à 16000C pour une presion de monoxyde de carbone d'un bar. On voit déjà, d'après le diagramme de la figure 1, que le procédé suivant l'invention permet d'obtenir des teneurs en oxygène dissous bien inférieures à tous les pro- cédés d'affinage connus antérieurement. On décrira maintenant, au moyen des exemples qui vont suivre, divers modes de mise en oeuvre du procédé d'af- finage suivant l'invention et on comparera les résultats obtenus avec ceux d'un procédé d'affinage classique par le fond. Exemple comparatif 1 On réalise en laboratoire un modèle de convertisseur à soufflage par le fond équipé d'une tuyère d'injection. On charge 600 kg de fonte liquide à 1,5% de carbone et à 15500C dans ce convertisseur. On injecte ensuite de l'oxygène pur à un débit de 15 Nm3/h jusqu'à ee que la teneur en carbone du bain tombe à 0,03% (point la de la courbe I de la figure 3 correspondant à une teneur en oxygène dissous de 1280 ppm). A partir de cet instant on injecte dans le bain, conjointe- ment avec l'oxygène, de l'argon industriellement pur à un débit constant de 15 Nm3/h. On prélbve des échantillons de métal à intervalles réguliers afin de déterminer la varia- tion de la teneur en oxygène dissous du bain. Au bout de 3 minutes, c'està-dire après une consommation de 1,25Nm3 d'argon/tonne d'acier produit, on s'aperçoit que la teneur en carbone du bain a été abaissée à O,01 et que la teneur en oxygène dissous du bain est alors de 750 ppm (point lb de la courbe I de la figure 3). Exemple 2 On charge le même convertisseur avec 600 kg de fonte liquide à 1,5% de carbone. On injecte de l'oxygène indus- triellement pur à un débit de 15 Nm3/h jusqu'à ce que le bain présente une teneur en carbone de 0,212%, la tempéra- ture étant alors de 16470C. A partir de cet instant on dilue l'oxygène injecté par de l'argon en suivant la loi corres- pondant à la courbe II de la figure 2, le débit total de gaz injecté (gaz inerte + oxygène) étant maintenu constant. A partir de ce moment la teneur en oxygène dissous, en fonc- tion de la teneur du bain en carbone, varie suivant la cour- be II du diagramme de la figure 3. Au bout de 12,5 minutes, soit après une consommation de 3,2 Nm3 d'argon/tonne d'acier produit, la teneur du bain en carbone est abaissée à 0,01% tandis que cette teneur en oxygène dissous est de 250 ppm (point 2b sur la courbe II de la figure 3). Autrement dit on obtient une teneur en oxygène dissous inférieur de 500 ppm par rapport au cas de l'exemple 1. Exemple 3 On charge le même convertisseur avec 600 kg de fonte liquide à 1,5% de carbone. On injecte, comme précédemment, de l'oxygène à un débit de 15 Nm3/h jusqu'à ce que l'on obtienne une teneur en carbone de 0,19%. La température du bain est de 16000C. A partir de cet instant on dilue l'oxy- gène injecté au moyen d'argon, la teneur en argon du mélange injecté variant, en fonction de la teneur en carbone du bain, suivant la courbe III de la figure 2. La teneur en oxygène dissous verie alors, en fonction de la teneur en carbone du bain, suivant la courbe III du diagramme de la figure 3. Après 9 minutes, soit une consommation de 2,95 Nm3/tonne d'acier produit, la teneur en carbone du bain est de 0,02% et sa teneur en oxygène dissous est de 180 ppm (point 3b de la courbe III de la figure 3). On peut remarquer, d'après les courbes II et III de la figure 3, que dans les exemples 2 et 3 dans lesquels on met en oeuvre le procédé suivant l'invention, la teneur en oxygène dissous du bain ne dépasse pas 200 ppm jusqu'à une teneur en carbone de 0,02%. Ce fait est très avantageux car il permet d'arrêter l'affinage à la teneur en carbone dési- rée et d'obtenir un bain métallique bien désoxydé. De plus, il est bien connu en aciérie de conversion qu'une faible teneur en oxygène dissous du bain favorise la purge des gaz dissous tels que l'azote et l'hydrogène. Par l'emploi d'un gaz inerte présentant un très faible pouvoir de dissolution dans l'acier, tel par exemple l'argon, il est possible d'obtenir des teneurs en azote et en hydrogène nettement inférieures à celles obtenues par les procédés de conversion connus à ce jour. 256089 i REVENDICATIONS 1.- Procédé d'affinage de la fonte par le fond dans lequel on injecte, dans le bain de métal en fusion, un gaz oxydant tel de l'oxygène industriellement pur, et on injec- te, pendant la dernière période de l'affinage c'est-à-dire à partir d'une valeur prédéterminée de la teneur en carbone du bain, un mélange de gaz oxydant et de gaz inerte assurant la dilution du gaz oxydant, la teneur du mélange en gaz inerte variant en fonction de la teneur en carbone du bain, caractérisé en ce que l'on fait varier la teneur du mélange en gaz inerte, en fonction de la teneur du bain en carbone, suivant une loi correspondant à une courbe de dilution du gaz oxydant qui est située dans une zone déterminée par deux courbes enveloppes, à savoir une première courbe de dilution maximale définie par les portions de droites: x = - 766,7%C + 168,7 pour O,16 tandis que la seconde courbe de dilution minimale est défi- nie par les portions de droites: x = - 1500%C + 255 pour 0,14 dans le mélange et %C est la teneur en carbone du bain mé- tallique à l'instant considéré, le débit total du mélange gazeux (gaz oxydant et gaz inerte) injecté par le fond'res- tant sensiblement constant pendant toute la dernière période de l'affinage. 2.- Procédé selon la revendiation 1 caractérisé en ce que les gaz inertes employés appartiennent au groupe constitué par l'azote, l'argon, l'hélium, le néon, le kry- pton, le xénon et tout mélange de ces gaz. 3.- Produit métallique élaboré selon le procédé selon une des revendiction 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit produit présente une teneur en oxygène dissous infé- rieure à 200 ppm pour une teneur en carbone comprise entre 0,03 % et 0,08 % et inférieure à 300 ppm pour une teneur en carbone inférieure à 0,035 %. 4.- Produit selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il présente une teneur en oxygène dissous supérieure à ppm.