Brevet FR2642678A1 — publié le 19900810

La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'une atmosphère gazeuse exempte d'oxygène en contact avec un métal à haute température, le cas échéant en fusion, dont au moins un constituant est un gaz inerte, tel l'azote, l'argon et parfois le gaz carbonique. Les atmosphères gazeuses ont de nombreuses applications notamnent en coulée d'aciers ou d'alliages d'aciers, en traitement thermique ou thermochimique des aciers, en fusion de métaux sous atmosphère inerte. Quelles que soient les applications, il est nécessaire d'alimenter à forts débits l'atmosphère confinée en contact avec le-métal, car d'une part en protection contre l'air environnant, il est rare que l'atmosphère confinée en contact avec le métal puisse être isolée de façon étanche par rapport à l'air environnant, d'autre part en traitement chimique ou thermochimique, on est amené à introdulre tout au long du traitement, de façon continue ou discontinue, des produits de traitement genéralement véhiculés par de l'azote.Cet azote formant gaz de protection ou gaz vecteur doit être de haute pureté, car son rôle essentiel, outre le cas échéant son rôle de vecteur, est de constituer une masse gazeuse inportante écartant tout l'air environnant le métal et le maintenant à distance malgré des passages de comnunication inévitables avec l'air extérieur, qui a tendance à pénétrer vers le métal par rétrodiffusion ou recirculation locale de l'azote. Cr l'atmosphère confinée en contact avec le métal doit présenter une teneur en oxygène pratiquement nulle et c'est la raison pour laquelle on choisit de l'azote élaboré- par distillation cryogénique de ltair, de haute pureté, qui est généralement assez coûteux. On a blen proposé d'utiliser de l'azote de séparation d'air par les techniques d'adsorption ou de perméation dont le prix est généralement plus abordable pour les utilisations métallurgiques nécessitant de forts débits. plais jusqu'à maintenant, dans ces utilisations -impliquant un azote pratiquement exempt d'oxygène, on est finalement amené à éliminer l'oxygène résiduel, dont la teneur est généralement de l'ordre de 1 % à 2 %, par des techniques d'élimination qui font intervenir une réaction catalytique avec un agent réducteur tel l'hydrogène, et qui, la plupart du temps, aoivent être suivies d'une extraction de la vapeur d'eau ainsi formée, de façon à retrouver pratiquement la pureté d'azote de distillation cryogénique.Ces techniques sont finalement coûteuses et l'azote ainsi purifié présente un prix de revient voisin de l'azote de distillation cryogénique. La présente invention vise un procédé d'élaboration d'une atmosphère comprenant ou constituée d'azote, en partant d'azote impur de perméation ou d'adsorption et en procédant à l'élimination de l'oxygène résiduel de façon simple, efficace et peu coûteuse. Selon l'invention, l'agent réducteur de l'oxygène résiduel est un produit métallique réducteur formant, lorsqu'il est porté à haute température, un oxyde métallique. Ainsi, on bénéficie de l'apport de chauffe directement du métal à température élevée qui est en contact avec ladite atmosphère pour assurer une réaction d'oxydation quasi-instantanée qui intéresse tout l'oxygène résiduel.Etant donné les températures très élevées qui sont mises en oeuvre dans ces techniques de traitement ou protection métallurgique, on peut être assuré que les produits de réaction (oxygène et agent métallique réducteur) sont portés de façon très rapide à la température de réaction, de sorte que l'oxygène résiduel dans l'azote est éliminé pratiquement dès son entrée dans la zone confinée de l'atmosphère en contact avec le métal, sans pouvoir atteindre le métal lui-nêm.e. On comprend que cette façon de faire est non seulement simple, mais également économique et les expériences auxquelles s'est livrée la demanderesse ont montré son elficacité. De préférence, le produit métallique réducteur se présente sous forme d'une poudre à l'étant finement divisé incorporé à I'azote impur avant son introduction dans la zone confinée de l'atmosphère en contact avec le métal. On bénéticie ainsi d'avantages supplémentaires, car l'agent réducteur à l'état finement divisé peut d'une part être facilement incorporé au courant d'azote, d'autre part cet état finement divisé permet une grande surface d'échange à la fois thermique permettant une rapide élévation de température de la poudre métallique, et chimique assurant une réaction rapide avec ltoxytgène résiduel. A titre d'exemple, on peut utiliser des poudres de fer ou d'un métal plus oxydable que le fer tel l'aluminium avec une granulométrie comprise entre 1 micron et 50 microns. Et dans ces conditions, notamment lorsque l'azote s'échappe de la zone confinée de l'atmosphère en contact avec le métal à température élevée, on constate qu'il véhicule vers l'extérieur les poudres d'oxydes métalliques ainsi formées. On décrit maintenant deux exemples de mise en oeuvre de l'invention PRm3IER EXEMPLE : Coulée continue de l'acier Lorsqu'on coule de l'acier en continu d'un répartiteur dans une lingotière, on souhaite protéger le jet de coulée contre l'oxydation par l'air. On peut par exemple placer un cylindre en matériau réfractaire autour du jet et injecter de azote dans l'espace annulaire ainsi formé. A ce sujet, on peut mettre en oeuvre un dispositif tel que décrit dans la demande de brevet européen 86.401.792 du 11 aout 1986 au nom de la demanderesse.Si l'on injecte ainsi 50 m3/h d'azote pur autour d'un jet de 20 mn de diamètre, on obtient dans la zone d'extrémité du cylindre voisine de la lingotière une teneur en oxygène de 0,1 à 0,5 %, ce qui bien souvent est encore excessif. Or, cette zone d'extrémité est extrêmement sensible à l'oxydation à cause des turbulences induites par í timpact du jet de métal dans la lingotière. On introduit dans l'espace d'inertage 750 g/h de poudre de fer entraînée par l'azote, à teneur résiduelle en oxygène, soit à une concentration de 15 g/m3. Cette poudre de fer, de qualité courante, a de prétérence une granulométrie moyenne de 5 à 50 microns. La poudre de fer est ainsi entraînée par les turbulences du gaz, elle est chauffée par rayonnement du métal et ottre une très grande surtace spécifique de l'ordre de quelques m2 par gramme. Elle est donc très oxydable, des qu'elle rencontre une concentration, même très faible, d'oxygène, elle réagit pour former de l'oxyde de fer. Les grains d'oxyde formés ne pénètrent pratiquement pas dans le métal "coulé", car ils sont entraînés à l'extérieur -avec le débit d'azote. On constate qu'on obtient d'aussi bons résultats, voire meilleurs à l'extrémité en contact avec l'air ambiant, qu'avec de l'azote pur. DEUSlSME EXEMPLE : Four de traitement thermique Un four de traitement thermique d'aciers utilise normalement 20 m3/h d'azote pur, en mélange éventuellement avec d'autres gaz réducteurs. On alimente ce four avec de l'azote moins pur provenant d'un séparateur à membrane qui peut produlre économiquement de l'azote à 98,5 % contenant donc encore 1,5 | d'oxygène. A cet effet donc on introduit dans le four 1 kg/h de poudre de fer de même qualité que pour l'exemple n 1 cité plus haut, soit à une concentration de 50 g par ml. L'intérieur du four étant maintenu à une température de l'ordre de 800 CC. la vitesse d'oxydation de la poudre de fer devient très grande et elle consomme tout Oxygène résiduel de l'azote avant que cet oxygène soit nocif pour la charge du tour de traitement thermique. REVENDICATICNS 1. Procédé d!élaboration d'une atmosphère gazeuse exempte d'oxygène en contact avec un métal à haute température le cas échéant en fusion, dont au moins un constituant est un gaz inerte, du genre où ledit gaz inerte est de l'azote obtenu par séparation d'air par adsorption ou perméation avec élimination de l'oxygène résiduel par un agent réducteur, caractérisé en ce qu'à titre d'agent réducteur de ltoxygène résiduel on met en oeuvre un produit métallique réducteur formant un oxyde métallique rapldement lorsqutil est porté à la dite haute température, par l'énergie thermique issue du métal à haute température. 2. Procédé d'élaboration d'une atmosphère exempte d'oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prodult métallique réducteur se présente sous forme d'une poudre à l'état finalement divisé, incorporée à l'azote impur avant son introduction dans la zone confinée de l'atmosphère au contact avec le métal. 3. Procédé d'élaboration d'une atmosphère exempte d'oxygène selon la revendication 2, caractérisé en ce que la poudre métallique est une poudre de fer ou une poudre d'un métal plus oxydable que le fer, par exemple l'aluminium. 4. Procédé d'élaboration dtune atmosphère exempte d'oxygène selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre métallique est une poudre de granulométrie comprise entre 1 micron et 50 microns. 5. Applicatlon du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à l'élaboration d'une atmosphère de protection d'un jet de coulée d'un métal en tusion en chute libre d'un récipient à un autre récipient, avec mise en oeuvre d'une gaine d'isolation d'atmosphère inerte environnant le jet de coulée constituée d'azote, le cas échéant injecté à l'intérieur d'un manchon enveloppant à faible distance ledit let de coulée, caractérisé en ce que ledit azote introduit est de l'azote brut de séparation d'air par adsorption ou perméation à teneur résiduelle en oxygène, auquel on a incorporé de façon continue un agent métallique réducteur sous forme finement divisée telle qu'il soit porté de façon quasi immédiate, essentiellement par rayonnement thermique émanant du jet, à température de réaction avec l'oxygène résiduel. 6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à lVélaboration d'une atmosphère de traitement thermique ou thermochimique d'aciers dans un four comprenant au moins un constituant azote, le cas échéant avec un ou plusieurs autres gaz de traitement non oxydants, caractérisée en ce que ledit constituant azote est obtenu à partir d'azote brut à teneur résiduelle en oxygène, auquel on incorpore de façon continue un agent métallique réducteur sous forme finement divisée, telle qu'il soit porté, lors de son introduction dans le four, de façon quasi-immédiate, à une température de réaction avec l'oxygène résiduel. T. Application du procédé selon lune quelconque des revendications I à 4, à l'élaboration d'une atmosphère de protection à base d'azote d'un four de fusion de métaux, caractérisé en ce que ledit azote introduit dans le four de tusion est de l'azote brut de séparation d'alr par adsorption ou perméation à teneur résiduelle en oxygène, auquel on a incorporé de façon continue un agent métallique réducteur sous forme finement divisée telle quril soit porté lors de son introduction dans le four de façon quasi-immédiate à une température de réaction avec lroxygène résiduel.