Brevet FR2642347A1 — publié le 19900803

PROCEDE DE COULEE EN CONTINU D'ACIERS EFFERVESCENTS OU FAIBLEMENT DESOXYDES, ET POUDRE DE COUVERTURE POUR SA MISE EN OEUVRE L'invention concerne la coulée continue d'aciers effervescents ou faiblement désoxydés. L'une des évolutions les plus remarquables de ces dernières années, dans le domaine de l'élaboration et de la coulée de 11 acier, est la tendance à remplacer, pour certains usages, les nuances d'acier coulées en continu et contenant d'importantes quantités d'éléments désoxydants, par des nuances faiblement désoxydées ou même franchement effervescentes. Contrairement à la pratique antérieure, ces nuances peuvent à présent, elles aussi, être coulées en continu. Les principales raisons de cette évolution sont d'ordre économique et métallurgique. Les éléments fortement désoxydants tels que l'aluminium et le silicium sont relativement coûteux. En outre, leur oxydation conduit à la formation d'inclusions qu'il n'est jamais possible d'éliminer totalement avant la solidification du métal.Il est donc avantageux de limiter autant que possible les quantités de désoxydants ajoutées au métal liquide, du moins lorsque des raisons d'ordre métallurgique n'imposent pas la présence de ces éléments dans le produit final; avec des teneurs notables et bien déterminées. Dans ces aciers faiblement désoxydés, l'oxygène dissous se combine préférentiellement au carbone, ce qui conduit à un dégagement de CO provoquant une effervescence au sein du métal, qui se poursuit jusqu'à la solidification.Le dégagement de CO est souvent suffisamment intense pour que le métal solidifié présente des porosités, dont - les plus importantes, appelées soufflures, forment de véritables cavités au sein du solide De plus, la formation de telles porosités est favorisée par la présence dans le métal liquide d'azote et d'hydrogène, On admet qu' il y a risque de formation de porosités en un lieu où le métal se solidifie si la somme des pressions partielles de CO, d'hydrogène et d'azote y est supérieure à la somme des pressions atmosphérique et ferrostatique. I1 est impératif que les soufflures soient absentes du voisinage immédiat de la surface du produit brut de coulée.Dans le cas contraire, ces porosités conduisent à l'apparition de graves défauts de surface sur le produit laminé, voire à des incidents au cours du laminage lu i-meme. Dans le passé, ces nuances étaient coulées exclusivement en lingots. Les soufflures en peau éventuelles les plus gênantes étaient supprimées par meulage, et les forts taux de corroyage lors du laminage permettaient de refermer les porosités plus profondes. I1 était exclu de couler ces nuances "en continue de façon industrielle. En effet, les exigences de productivité de la coulée continue rendaient le meulage des produits trop coûteux, et les faibles -taux de corroyage ne garantissaient pas une fermeture suffisante des porosités. De plus, il y avait des risques de débordement du métal en lingotière en cas de dégagement gazeux excessif. La coulée continue en marche industrielle d'acier effervescent ou faiblement désoxydé n'a été rendue possible que dans les toutes dernières années, grâce aux progrès accomplis dans les domaines suivants - les études physico-chimiques de la solidification de l'acier liquide, qui ont permis de mieux cerner les conditions dans lesquelles se forment ou ne se forment pas les soufflures dans un métal peu désoxydé - les traitements de l'acier liquide en poche et en répartiteur de coulée continue, grâce auxquels il est désormais possible de régler de façon précise les teneurs de l'acier en éléments désoxydants, même si elles sont très faibles, et également de limiter ses teneurs en hydrogène et en azote - le brassage du métal liquide en lingotière, notamment sous l'action d'un champ magnétique mobile, qui permet de mieux répartir les éléments dissous dans le métal et d'éviter que ne se créent localement des conditions propices à une effervescence excessive génératrice de porosités. Comme on vient de le voir, il est particulièrement important que la peau du produit solidifié soit exempte de soufflures. Or, cette peau est formée pour une large part avec du métal qui, avant sa solidification, a transité par la partie supérieure de la lingotière, au voisinage du ménisque. Dans cette zone, la pression ferrostatique est faible et n'oppose que peu de résistance à la formation de bulles de gaz, qui risque de se produire, d'autant plus que la teneur du métal en gaz dissous est importante. I1 est donc possible que le produit solidifié présente à la fois des soufflures rédhibitoires en peau et un coeur sain Ce risque existe, en particulier lors de la coulée des premières tonnes de métal. Celles-ci ont, en effet, servi au remplissage du répartiteur et n'ont pu, à cette occasion, qu'être imparfaitement protégées de l'air ambiant.Cela entraîne que le métal pénétrant en premier dans la lingotière a des teneurs en oxygène dissous et en azote supérieures à celles du métal coulé ultérieurement. D'autre part, les réfractaires de répartiteur perdent l'essentiel de leur humidité résiduelle en début d'utilisation, ce qui se traduit par une réhydrogénation souvent très sensible des premières tonnes de métal coulées. Celles-ci peuvent donc nc contenir des teneurs en gaz dissous exces- sives conduisant à rebuter les produits correspondants, alors que les produits coulés ultérieurement seraient exempts de défauts graves. Le but de l'invention est de proposer un procédé permettant de réduire, voire de supprimer, les risques de formation de soufflures au voisinage de la peau d'un produit en acier effervescent ou faiblement désoxydé coulé en continu, sans pour autant qu'il soit nécessaire de modifier les conditions d'élaboration du métal liquide et sa composition nominale. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée en continu d'aciers effervescents ou faiblement désoxydés, caractérisé en ce que l'on ajoute dans la lingotière de coulée continue, et ce, de façon régulière pendant au moins une partie de la coulée, des éléments réducteurs en les déposant sur la surface du métal liquide. Cette condition est remplie, selon l'invention, par l'utilisation d'une poudre de couverture à laquelle sont incorporés lesdits éléments réducteurs. L'invention a également pour objet une telle poudre de couverture, - caractérisée en ce qu'elle contient un ou plusieurs des éléments réducteurs suivants : aluminium, silicium, zirconium, titane, calcium, sous forme de métaux purs ou d'alliages métalliques, en ce que la somme des teneurs en ces éléments est comprise entre 0,5 et 20 %, en ce que la somme des teneurs en fer et en manganèse présents sous forme d'oxydes ne dépasse pas 8 % et en ce que la teneur en carbone est au moins égale à 4 %, le reste étant constitué par les composants habituels des poudres de couverture. Ce procédé ne doit pas être confondu avec les additions d'éléments désoxydants en lingotière par fil massif ou par fil fourré, qui sont pratiquées de façon courante. De telles additions visent à faire agir le désoxydant sur l'ensemble du métal traversant la lingotière, et non sur une fraction de celui-ci. Comme on l'aura compris, les éléments désoxydants contenus dans la poudre réagissent au contact du métal liquide à la partie supérieure de la lingotière en se combinant à tout ou partie de l'oxygène dissous qu'il contient. Ce métal, partiellement ou totalement désoxydé, a une forte probabilité d'aller ensuite se -solidifier contre la paroi de la lingotière ou dans son voisinage immédiat, pour former la peau du produit coulé. Ce métal ne contenant plus ou peu d'oxygène dissous, la formation de CO lors de sa solidification est alors nulle ou faible. Cela diminue considérablement les possibilités de formation de bulles de gaz entraînant la présence de soufflures dans cette zone du produit solidifié. La réaction de désoxydation est rapide et donne lieu immédiatement à la formation d' inclusions qui sont captées par la poudre de couverture, exactement comme le sont les inclusions déjà présentes dans le métal liquide et décantant dans la lingotière. Les nouvelles inclusions formées par les désoxydants présents dans la poudre ne se retrouvent pas en peau du produit. L'excellente propreté inclusionnaire en peau, qui caractérise les produits en aciers effervescents et faiblement désoxydés, est donc conservée. Les désoxydants pouvant être introduits dans la poudre, seuls ou en combinaison, sont les éléments connus en sidérurgie pour être des désoxydants de l'acier liquide : silicium, titane, aluminium, calcium, zirconium. Ils doivent être présents sous forme finement divisée, à l'état pur ou sous forme d'alliages métalliques, tels que du ferro-silicium, du ferro-aluminium ou du silico-calcium. Dans le cas des alliages à base de fer, le fer se dissout dans l'acier liquide. Dans le cas du silicocalcium, la désoxydation a pour résultat la formation simultanée de chaux et de silice qui sont captées par la poudre de couverture. En conséquence, les inclusions ainsi formées ne modifient que très peu la basicité de la poudre de couverture. Cette basi CaO % cité est essentiellement fonction du rapport SiO2 % dans la poudre.Elle joue un rôle important dans la lubrification des parois de la lingotière, qui est, comme on le sait, l'une des fonctions habituelles de la poudre de couverture. La teneur totale de la poudre en éléments désoxydants peut aller de 0,5 à 20 % en poids. Cette teneur varie en fonction de divers paramètres, dont - l'écart entre la teneur en oxygène dissous dans le métal avant désoxydation et celle que l'on désire obtenir à l'issue de la réaction ; - les conditions hydrodynamiques dans la lingotière, qui régissent les contacts entre la poudre et le-métal. En particulier, le rapport entre la masse de poudre qu'il est nécessaire d'ajouter sur toute la durée de la coulée pour garantir le bon déroulement de la coulée et la masse de métal traversant la lingotière pendant le même temps est d'une grande importance. Pour une désoxydation du métal recherchée donnée, plus ce rapport est faible, plus la poudre doit être riche en éléments désoxydants. I1 est impératif que, simultanément, la somme des teneurs en fer et en manganèse présents dans la poudre sous forme d'oxydes ne soit pas supérieure à 8 E pondéraux. Dans le cas contraire, une quantité excessive d'éléments désoxydants réduirait les oxydes de fer et de manganèse de la poudre et compromettrait l'efficacité métallurgique du traitement. Ceci constitue une différence marquante avec certaines poudres existantes qui contiennent, elles aussi, des désoxydants, mais également des quan tités de fer et de manganèse notables (de l'ordre de 15 %), sous forme d'oxydes. De telles poudres ne sont utilisées qu'au démarrage de la coulée.Elles permettent de profiter de l'exothermicité de la réduction de ces oxydes par les désoxydants de la poudre pour réchauffer le métal et limiter les risques de collage de la peau solidifiée sur la paroi de la lingotière. Mais elles ne jouent aucun rôle dans la désoxydation du métal lui-même, car les désoxydants réagissent à l'intérieur de la fraction liquide de la poudre qui est située au voisinage du ménisque. De plus, ces poudres exothermiques ont obligatoirement des teneurs en carbone très faibles (moins de 1 %), de manière à ce que leur fusion soit très rapide et leur action immédiate. Mais à cause de cette fusion rapide, ces poudres ne peuvent être utilisées au-delà de la phase de démarrage de la coulée sans risques importants de percée. Pour pouvoir être utilisée à un moment quelconque de la coulée, la poudre selon l'invention doit, au contraire, avoir une teneur en carbone au moins égale à 4 % qui limite sa vitesse de fusion. A titre d'exemple, deux compositions de poudré sont données ci-dessous. L'une correspond à une poudre classique utilisée en coulée continue de blooms, l'autre correspond à une poudre désoxydante selon l'invention, constituée par la poudre précédente à laquelle a été ajouté du s il ico -calcium . Celle-ci peut être substituée à la poudre classique précédente pour la coulée de nuances faiblement désoxydées, dans des conditions de coulée par ailleurs identiques. Les valeurs chiffrées sont des teneurs pondérales. Poudre Poudre classique désoxydante SiO2 30 % 28 % CaO + MgO 26,5 % 25 % Al2O3 10,5 % 10 % Na2O + K20 3 % - 3 % Fe2O3 4,5 % 4 % MnO % % C 20 % t9 % F F 5,5 % 5 % SiCa 0% SiCa 0 % 6 % 6% Les figures 1 et 2 montrent des coupes transversales de blooms coulés en -continu, de format 320 x 250 mm en acier de décolletage faiblement désoxydé X 793, de composition (exprimée en % pondéraux) C = 0,10 à 0,13 % ; Mn = 1,15 à 1,30 % ; P = 0,05 à 0,08 % ; S = 0,29 à 0,335 % ; Si 4 0,020 % ; sans Al Le bloom de la figure 1 a été coulé en utilisant la poudre de couverture classique dont la composition est donnée ci-dessus. On constate la présence, en peau du produit, de nombreuses soufflures 1 souvent très volumineuses. Ces soufflures nécessiteraient le meulage du produit pour garantir un bon déroulement de son laminage. La figure 2 montre un bloom issu de la même coulée que le precédent, et coulé sensiblement simultanément, mais sur une ligne de la machine où la poudre de couverture classique était remplacée par la poudre désoxydante de la composition citée en exemple. Cet échantillon ne présente pas de soufflures périphériques : le produit est sain et prêt à etre laminé sans réparation. Deux modes d'utilisation d'une poudre selon l'invention sont envisageables : - la lingotière peut être alimentée avec cette poudre pendant toute la coulée. Cette pratique autorise une réduction supplémentaire de la quantité de désoxydants introduite pendant le traitement en poche de l'acier liquide, toutes choses restant égales par ailleurs, notamment les teneurs en hydrogène et en azote dans le métal. Une telle utilisation est particulièrement indiquée lorsque la lingotière n'est pas équipée d'un dispositif de brassage du métal liquide (ce qui est le cas, par exemple, de la quasi-totalité des lingotières à brames). - cette poudre peut n'être employée qu'en début de coulée. Cette période, comme on l'a vu précédemment, présente des risques particuliers de formation de porosités au voisinage de la peau du produit, à cause des quantités supplémentaires de gaz dissous que contient le métal par rapport au reste de la coulée. L'utilisation d'une poudre désoxydante permet d'annuler ces risques. Lorsque les teneurs en gaz dissous du métal en répartiteur arrivent aux niveaux qu'elles conserveront normalement jusqu'à la fin de la coulée (moment que l'on peut estimer par l'expérience et/ou d'après des mesures effectuées pendant la coulée), l'ajout de poudre de couverture désoxydante selon l'invention peut faire place à un ajout de poudre classique. Bien entendu, le terme "poudre de couverture" ne doit pas être pris dans un sens trop littéral.- Il désigne tout conditionnement du matériau de couverture du métal en lingotière, tel que de la poudre proprement dite, des granulés, des sphérules, etc. Il faut cependant que le mode de fabrication de ce matériau permette l'incorporation des éléments désoxydants et leur conservation sous forme métallique jusqu'au moment de l'utilisation. L'invention s'applique à la coulée de produits en acier effervescent ou faiblement désoxydé de tous formats. REVENDICATIONS 1 > Procédé de coulée en continu d'aciers effervescents ou faiblement désoxydés, caractérisé en ce que l'on ajoute dans la lingotière de coulée continue et de façon régulière pendant au moins une partie de la coulée, des éléments réducteurs en les déposant sur la surface du métal liquide. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dépose sur la surface du métal liquide en lingotière une poudre de couverture à laquelle on a préalablement ajouté lesdits éléments réducteurs. 3) Poudre de couverture pour la coulée continue de l'acier, caractérisée en ce qu'elle contient un ou plusieurs des éléments réducteurs suivants : aluminium, silicium, zirconium, titane, calcium, sous forme de métaux purs ou d'alliages métalliques, en ce que la somme des teneurs en ces éléments est comprise entre 0,5 et 20 % en ce que la somme des teneurs en fer et en manganèse présents sous forme d'oxydes ne dépasse pas 8 %, et en ce que sa teneur en' carbone est au moins égale à 4 %. 4) Poudre de couverture selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour la coulée en continu d'aciers effervescents ou faiblement désoxydés.