Brevet FR2579495A1 — publié le 19861003

"PROCEDE DE PMECTIONI D'UN JET DE COULEE DE ÈM''" La présente invention concerne un procédé de protection d'un jet de coulée de métal d'un réservoir contenant le métal en fusion dans un récipient récepteur, procédé dans lequel on introduit dans le récipient récepteur de l'anhydride carbonique, avant de couler le métal dans celui- ci. Lors de l'élaboration des métaux, différents constituants du minerai sont éliminés, tandis que de nouveaux corps viennent s'insérer dans le métal en fusion, en particulier au contact de l'air. Certains métaux ou alliages de métaux peuvent en particulier, au cours de leur élaboration, voir leur quantité d'azote augmenter si l'on ne prend pas de précautions particulières. Tel est le cas, par exemple, de l'acier lors de sa coulée d'un four ou d'une poche dans un récipient récepteur. On a constaté que la présence de l'azote dans un acier, sous forme d'impuretés interstitielles favorise le durcissement par vieillemeant et amoindrit sa résistance. En particulier, on constate qu'une tôle ayant une teneur en azote trop élevée résiste mal au vieillissement et à la corrosion après emboutissage profond. Une première solution à ce problème a été proposée dans la demande de brevet japonais n 51-77.519 au nom de NIPPON STEEL CORP. Pour diminuer la teneur en azote dans l'acier, il est proposé dans cette demande japonaise de couler l'acier issu d'un convertisseur o il a été affiné, dans une poche de coulée, préalablement remplie par un gaz non nitrurant, ladite poche ayant été obturée au moyen d'un couvercle en matériau consommable. Ainsi que le précise cette demande de brevet, le principe essentiel de ce procédé consiste, avant toute coulée de mnétal, à substituer complètement à l'air de la poche, un gaz non nitrurant en injectant ce gaz dans ladite poche et en couvrant cette poche d'un couvercle, les deux mesures, prises séparément, ne permettant pas de parvenir au but recherché, c'est-à-dire la diminution de la quantité d'azote absorbé par l'acier au cours de cette coulée en poche. Selon un mode de réalisation, il est fait utilisation d'anhydride carbonique sous forme de blocs de glace d'anhydride carbonique ("dry ice" selon la terminologie anglo-saxonne) déposés dans le fond de la poche avant la fermeture de celle-ci par le couvercle. Plus récemment, les auteurs de cette demande de brevet ont publié un article intitulé: "Conditions de prévention de l'absorption d'azote au cours de l'élaboration de l'acier" - Y. ABE - Y. KRYA - M. NISHIJA - T. TAHAS - NIPPCN STEEL CORP. J.S.C. (Science Council of Japan) - 21.05.1981 - dans lequel ils précisent l'utilisation de ces blocs de "glace carbonique" ou carboglace et ses limites. Ainsi, il est précisé que les blocs de glace doivent avoir une taille maximale de l'ordre de 60 mn de côté pour éviter les projections de métal fondu. De plus, la taille minimale est de l'ordre de 40 nm, pour éviter une sublimation totale avant coulée, et infiltration d'air dans la poche. En pratique, il est rec"mandé d'utiliser des blocs de 100 à 200 mm de côté. Par ailleurs, le temps séparant le dépôt des blocs dans le récipient récepteur et la coulée de métal est de l'ordre de une heure. De ces différentes indications, il apparaIt ainsi que le procédé décrit par ces auteurs consiste à chasser caompltement l'air de la poche, tant en maintenant un couvercle au-dessus de celle-ci. L'utilisation nécessaire de blocs de glace carbonique laisse supposer que, du fait de la sublimation assez lente de ceux-ci, l'anhydride carbonique gazeux chasse progressivement l'air de la poche (du fait de la densité plus forte de 02), ce qui n'aurait vraisemblablement pas été le cas si la sublimation de - l'anhydride carbonique avait été rapide, engendrant des courants de gaz dans la poche et maintenant ainsi un mélange d'anhydride carbonique et d'air dans celle-ci. De plus, les auteurs recamandent la présence de blocs de glace carbonique à la surface du métal liquide dans la poche, tout au long de la coulée de celui-ci. A la suite de différentes expérimentations, la Doeanderesse a constaté que le procédé décrit ci-dessus comportait un certain natmbre d'inconvénients. Tout d'abord, la présence nécessaire d'un couvercle consommable alourdit les coûts de fabrication (matière et main d'oeuvre supplémentaires). De plus, l'opérateur doit ajuster le jet de métal liquide sur la zone de moindre résistance du couvercle. Par ailleurs, l'utilisation de blocs de glace nécessite de naombreuses manipulations (découpage des blocs, conditionnement, approvisionnmement, manutention, etc...) allant à l'encontre d'une simplicité sidérurgique. On a également constaté que la protection du jet de coulée à l'aide de gaz carbonique était relativement inefficace du fait de la présence d'un mélange air et d'anhydride carbonique gazeux, phéncane aggravé par les gradients de teaqérature dans la poche. Enfin, si l'on suit l'enseignement du brevet, c'est-à-dire le maintien de blocs de glade carbonique à la surface du rétal liquide dans la poche, le procédé est particulièrement dangereux. En effet, on constate des explosions dans le rétal en fusion, dies à la sublimation de l'anhydride carbonique sous les blocs, formant ainsi des poches de gaz venant éclater à la surface, induisant des projections de rétal en fusion. Le couvercle en matériau consamable n'est pas suffisant pour éviter les projections de rétal o10 fondu créant de plus des entrées d'air dans la poche, ce qui va à l'encontre du but recherchâ. Le procédé selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Dans ce but, il se caractérise par l'utilisation de neige carbonique placée dans le récipient récepteur en quantité suffisante pour q'une couche de neige carbonique recouvre le fond du récipient récepteur au début die la coulée du jet de métal liquide dans ledit récipient. La Dseanderesse a ainsi constaté que l'utilisation de neige carbonique dans les conditions citées ci-dessus ne nécessitait pas l'emploi d'un couvercle consommable sur la poche. En effet, selon le procédé de l'invention, la neige carbonique située au fond de la poche se sublime instantanéent dès que le métal fondu entre en contact avec la poche, créant ainsi une barrière de gaz carbonique entre l'air ambiant et le métal fondu, barrière qui se déplace vers le haut de la poche au cours de la montée du niveau de rétal liquide dans celle-ci. Contrairement à ce qui se passait dans le procédé de l'art antérieur, la barrière gazeuse crée in situ au début de la coulée de métal s'avère efficace contre l'absorption d'azote dans le métal liquide. la génération spontanée d'un volume de gaz très important par sublimation dès que le métal touche le fond de la poche est spécifique de la neige carbonique, car celle-ci ne possède aucune capacit et se sublime ainsi beaucoup plus vite que les blocs de glace carbonique. De plus, on supprime les risques d'enprisonririent de gaz carbonique dans le métal et les risques de projection. D'autre part, on s'est aperçu que la protection du jet de coulée devait se faire principalement au niveau du pied de jet, car cette zone représente à elle seule environ 70% de la pollution par l'atmosphère environnant le jet de coulée. En règle générale, on constate que la masse volunique de la neige carbonique utilisée (masse volumiqce des particules solides de cette neige carbonique) doit être inférieure ou égale à 1 kg/dm.3. En pratique, la neige carboique q.ui con'ient our la rIse en oeuvre de l'invention est une neige produite par un appareil déû.tt cyclone. Cette neige provient de la détente brutale de l'anhydride carbonique liquide, généralement stocké à une tepérature de - 20 C et une pression de 20 bars directent dans l'atmosphère, c'est-à-dire à tbepérature et pression abiantes. La neige ainsi fo re est utilisée, telle quelle, gén4ralement sans autre traitenit. En pratique, ceci permet d'avoir le générateur de neige carbonique à proximité du lieu de coulée et d'injecter cette neige dans la poche par une conduite d'aenée reliée au cyclone. L'alimentation continue ou séquentielle peut ainsi être aisément oanandée par l'opérateur qui contr8le la coulée de métal. Génmralent, les quantités de neige carbonique nécessaires varient de 0,2 à 5 kg par tonne de métal coulé. Bien entendu, ce procédé s'applique de prfrence pour la protection du jet de coulée entre le convertisseur et la poche mais peut également s'appliquer pour la coulée d'une première poche dans nme seconde poche ou dans un répartiteur de coulée continue, ainsi que du répartiteur dans les lingotières, etc... L'invention sera mieux ccuprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: - la figure 1, une vue en coupe d'un convertisseur et d'une poche de coulée utilisant le procédé selon l'invention; - la figure 2, une variante de réalisation du procédé de la figure 1, ccmportant une alimentation in situ en neige carbonique. La figure 1 représente une vue en coupe d'un convertisseur et d'une poche de coulée utilisant le procédé selon l'invention. Le nmtal liquide i se trouve dans le convertisseur 2 dans lequel il a été affiné, par exemple par injection d'oxygène dans le bain de métal liquide. Une poche de coualée 4 est amenée sous l'orifice de coulée 3 dont l'ouverture est contr8lée. Avant la coulée, on introduit une quantité prédéterminée de neige carbonique dans la poche 4. Lorsqu'on comnande l'ouverture 3, le - jet de métal liquide 5 sublime inimdiatement la neige carbonique présente dans la zone du pied de jet 6, puis dans la zone située au-dessus de la nappe de métal liquide 7, créant ainsi une nappe 8 de gaz carbonique, surmontée d'une nappe 9 d'air. L'ensemble métal liquide 7 et nappe de gaz carbonique (plus lourd que l'air) forme ainsi un piston, au fur et à mesure de la montée du niveau de liquide, qui chasse l'air de la poche, le pied de jet étant ainsi constamment protégé. La figure 2 montre une variante de la figure 1, dans laquelle la neige carbonique peut être injectée in situ dans la poche juste avant et pendant toute la coulée (continuement ou séquentiellement). Contrairement au cas précédent o l'on pouvait injecter la neige dans la poche avant d'amener celle-ci sur le lieu de coulée, il est ici nécessaire d'avoir une alimentation 10, d'une part reliée au réservoir 12 de 002 liquide et d'autre part raccordée à la poche 4 par la vanne de détente 11. Ceci explique la présence d'un couvercle 12 pour fixer l'arrivée de l'alimentation 10, ce couvercle ayant une ouverture suffisante 13 pour le passage du jet 5 et l'expulsion du mélange gazeux Air, gaz carbonique et monoxide de carbone, progressivement chassé par la montée du liquide 7. La neige 14 devra, de préférence, se répandre symétriquement sur l'ensemble du métal liquide. Pour cela,- on peut prévoir une alimentation symétrique, en plusieurs points. L'alimentation en continu ou séquentielle à l'aide du réservoir 12 permet d'engendrer par détente du C02 liquide, environ 40 % de solide et 60 % de gaz. Ce dernier permet de diluer l'atmosphère de la poche et améliore la protection du jet de coulée. Par ailleurs, ce gaz, plus lourd que l'air, se réchauffe au contact du métal liquide avant d'être entraîné vers la surface dudit métal, évitant ainsi un refroidissement trop important du métal. EXEMPLE 1 On coule d'un convertisseur dans une poche de 600 kg un acier comportant 1,5 % de carbone, 10 % de chroae, 0,09 % de silicium, 0,08 % de manganèse, 0,012 % de soufre et 0,011 % de phosphore. Avant la coulée, on a préalablement rempli la poche de neige carbonique issue de la détente brutale à temRpérature ambiante d'anhydride carbonique liquide stocké à - 20 C et 20 bars. La quantité utilisée était d'environ 3 kg. Quelques secondes après avoir terminé l'injection de neige dans la poche, portée à environ 900 C, on coule l'acier dans la poche jusqu'au remplissage complet de celle-ci qui s'effectue en environ 1 minute. On prélève un échantillon de l'acier liquide dans le four avant coulée et dans la poche après coulée. On effectue la nâme opération, dans les nmimes conditions sans utilisation de la neige carbonique, que l'on appellera coulée de référence et l'on prélève les échantillons de la meme manière. Les résultats obtenus sont les suivants: : '* Concentration en Concentration en Variation :: azote dans l'échan-: azote dans l'échan-: de concen-: tillon four (ppm) tillon poche (ppm) tration (ppm) :::: : Coulée de ,65: 157,9: + 52,25: référence Coulée selon :Coulée selon 70: 89,15: + 19,15: l'invention : Par rapport à la coulée de référence, la renitruration de la coulée selon l'invention a diminué de 37 %. Il est à noter que la concentration initiale en azote dans le four n'est pas la mime dans les deux cas, car il est impossible d'avoir les mkoes concentrations initiales en azote pour deux fusions successives réalisées dans les memes conditions. Par contre, la Demanderesse a vérifié que la diminution de la renitruration ne dépendait pas de la concentration initiale en azote. EXEMPLE 2: On opère dans les nâmes conditions que dans l'exemple 1 mais avec une poche recevant 6 tonnes de métal liquide d'un acier ccaportant de 0,2 à 0, 3 % de carbone, de 0,6 à 0,7 % de manganèse et de 0,2 à 0,7 % de silicium. La quantité de neige carbonique introduite dans la poche avant la coulée était d'environ 2 kg par tonne de rmétal coulé. Les résultats obtenus sont les suivants: Ccnc-utracn en Concentration en Variation azote dans! chan-: azote dans 1' gchan-: de concen-: tillon fi (ppn) tillon poche (ppm) tration (pp): Coulée de t = 0 78 = 25 référence 53 t = + 5' 86 = 33 t = + 10' 87 z = 34 e e o o e e e jD Coule selon t = 0 60 = 19 l'invention 41 t = + 5' 60 19 t = + 10' 60 = 19 La renitrutation a dilinu4 de 40 %.e Du tableau ci-dessus, on constate deux effets de la neige carbonique s. - di/inution de l'absorption d'azote pendant la coulée - diminution de l'absorption d'azote après la coulée pendant alu moins di: mnnutes. REVEICATICNS 1. - Procédé de protection d'un jet de couiée de métal d'un réservoir (2) contenant le métal en fusion (1) dans un récipient récepteur (4), procédé dans lequel on introduit dans le récipient récepteur (4) de l'anhydride carbonique (8), avant de couler le métal (1) dans celui-ci, caractérisé en. ce que l'introduction d'anhydride carbonique (8) dans le récipient récepteur (4), s'effectue sous forme d'injection de neige carbonique (14) en quantité suffisante pour qu'une couche de neige carbonique (14) recouvre le fohd du récipient récepteur (4) au début de la coulée du jet de métal liquide (1) dans ledit récipient (4). 2. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse volumique de la neige carbonique (14) est inférieure ou égale à 1 kg/dm3. 3. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'introduction d'anhydride carbonique (8) dans le récipient récepteur (4) s'effectue sous forme d'injection de neige carbonique obtenue (14) directement par détente brutale à la pression atmosphérique et à tepérature ambiante d'anhydride carbonique liquide stocké dans les conditions habituelles de température et de pression. 4. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection de neige carbonique (14) se poursuit pendant au moins une partie de la durée de la coulée du métal (1) dans le récipient récepteur (4). 5. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection de neige carbonique (14) se poursuit pendant toute la durée de coulée du métal (1) dans le récipient récepteur (4). 6. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on injecte dans le récipient récepteur (4), en une seule ou plusieurs fois, de 0,2 à 5 kg de neige carbonique (14) par tonne de mEtal coulé. 7. - Procédé de protection d'un jet de coulée de métal selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le métal coulé (1) est de l'acier.