Brevet FR2671563A1 — publié le 19920717

L'invention concerne les traitements métallurgiques à l'aide de gaz qui, corme on le sait bien, s'effectue de façon classique dans des récipients du genre convertisseurs quilsont équipés à cet effet de bouchons poreux pour l'injection de gaz neutres tel l'argon ou l'azote, et/ou de bloc-tuyère pour linjection de gaz ou de mélanges gazeux actifs tels l'oxygène, le méthane, le cas échéant lthydrogène. De tels récipients du genre convertisseurs sont appropriés au traitement de charges importantes de l'ordre de plusieurs dizaines de tonnes de métal.Ils sont cependant tout à fait incapables de traiter de petites quantités de métal de l'ordre de 100 à 2000 kg, car cette charge métallique modique subit un refroidissement inadmissible surtout en fin de traitement et ne permet pas de couler le métal dans de bonnes conditions. La présente invention vu se un procédé de traitement métallurgique à l'aide de gaz sur de faibles quantités ce métal, de l ordre de 100 à 2000 kg, avec un déroulement particulièrement satisfaisant des réactions thermiques grâce à une régulation correcte de la température du métal et cet objectif de l'invention est atteint en ce qu'on place une quantité modique de métal dans un four de fusion du genre à induction, dont le fond est équipé d'au moins une tuyère insufflatrice de gaz choisi parmi un ou plusieurs gaz actifs tels l'oxygène, le méthane, l'hydrogène, le cas échéant en mélange, le cas échéant en coopération avec un gaz neutre tel l'argon ou l'azote et en ce qu'on procède au traitement métallurgique proprement dit à la température requise, qui est maintenue et/ou régulée tout le long dhl dit traitement par réglage de l'alimentation électrique des inducteurs de four et en ce qu'on maintient l'insufflation d'un gaz inerte tel argon en tout cas hors de la période de traitement avec du gaz actif, aussi longtemps qu'il subsiste du métal liquide dans le creuset du four a induction. Malgré l'inconvénient de devoir maintenir un débit pelmenent de gaz d'injection aussi longtemps qu'il y a du métal liquide dans le creuset de four, et ceci afin d'éviter l'obturation d'une où des tuyères, le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux par la maîtrise parfaite de la température du métal aussi bien pendant le traitement que pendant l'opération de coulée et cela même dans le cas de très faibles charges qui peuvent être aussi basses que 100 kg. Il y a lieu de noter qu'une fois le métal mis à nuance correcte, on peut soit le déverser directement dans des moules sans transfert en poche intermédiaire, soit ,le transférer vers des moules en poche parfaitement isolée et préchauffée à très haute température. L'invention a également pour objet un four à induction cowprenant~ un creuset allongé selon le sens vertical entouré d'enroulements électriques inducteurs et incorporant un socle de briques réfractaires, qui se caractérise par un bloc-tuyère monté au travers d'un passage de socle et de fond de creuset, qui est maintenu en position par un moyen-support externe fixé de façon amovible au blindage de four, laissant passer au moins un conduit axial de gaz. Selon une forme plus élaborée de l'invention, le conduit axial du bloc-tuyère est situé à l'intérieur d'un second conduit définissant un conduit annulaire de passage de gaz. De la sorte, on peut aiséent injecter un gaz, par exemple de l'oxygène, par le conduit central et un second gaz, par exemple du méthane, au travers du conduit annulaire. Plusieurs formes de réalisation d'un four à induction selon l'invention sont maintenant décrits en référence aux dessins annexés - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un four selon l'invention - les figures 2 et 3 sont des vues partielles de deux autres variantes de réalisation. En se référant à la figure 1, un four à induction est foimé essentiellement d'un creuset 1 de forme allongée selon la verticale et présentant un bec déverseur 5 et un fond de creuset 6. Le creuset 1 est entouré à son extérieur par des enroulements électriques inducteurs 3, le tout étant posé sur un socle de briques réfractaires 2 et enveloppé par un blindage 4. Le socle 2 et le fond de creuset 6 sont ajourés de façon à créer un passage de traversée 11 présentant une partie basse lia de forme cylindrique, une partie haute llb de forme tronconique convergeant vers le haut. A l'intérieur du passage 11 est engagé un bloc-tuyère 13 formé d'un conduit métallique axial 14 noyé dans un ciment réfractaire 15 le tout engagé dans un siège récepteur 16 solidarisé avec le fond de creuset 6 et le socle 2. Le bloc-tuyère amovible constitué du conduit 14 et du réfractaire 15 avec une plaque de fond 17 est maintenu en position serrée dans le siège réfractaire 15 par une plaque support 18 solidement encrée au blindage 4 par différents tire-fonds 19. m. comprend que dans le four à induction qui vient d'être décrit, on peut injecter au travers du conduit 14 différents gaz et notamment un gaz actif tel l'oxygène, le cas échéant en mélange avec d'autres gaz actifs ou non et/ou un gaz inerte. En cas d'usure du bloc-tuyère 14-15, celui-ci est facilement rétractable par démontage de la plaque-support 18 afin de mettre en place un bloc-tuyère neuf ou rénové. Selon la figure 2, le bloc-tuyère est ici constitué d'un simple conduit 24 noyé dans un enrobage réfractaire 25 directèment maintenu en place par une plaque-support 27. Selon la figure 3 qui représente un bloc-support du type décrit à la figure 2, un conduit central 34 débouchant à l'extérieur en 35 est ici entouré à distance par un second conduit 34' supporté dans un manchon de base 36 et débouchant à l'extérieur par un conduit excentré 37. Oh comprend que dans cette forme de réalisation, on peut injecter un gaz par exemple de l'oxygène au travers du conduit axial 35 et un second gaz par exemple du méthane dans le conduit interstitiel 38 entre les conduits 34 et 34'. Dans tous les cas, du fait de l'insufflation de gaz qui peut être assez intense, il se produit un bouillonnement superficiel du métal liquide, de sorte qu'il est nécessaire, pour les fours existants, soit de réduire la charge métallique dans le four à induction par rapport à celle pour laquelle il a été conçu sans insufflation, ou bien de prévoir une réhausse sous forme d'une couronne annulaire fixée de façon étanche sur le contour supérieur du creuset de four. Grâce aux dispositions décrites, on peut mettre en oeuvre la précision du contrôle de température du métal liquide qu'autorisent les fours à induction en appliquant simplement aux inducteurs une puissance électrique relativement faible qui compense exactement les pertes thermiques par les parois et le refroidissement consécutif à la présence de gaz neutre injecté. Par exemple pour une charge métallique de 800 kg dans un four de capacité nominale de 1000 kg, et pendant une injection d'argon de l'ordre de 20 l/nn, la puissance électrique nécessaire au maintien en température à 16000C est d'environ 100 Bqh. Selon l'invention, on peut procéder à des injections de différents gaz qui sont actifs, par exemple des gaz oxydants tels ltoxygène et le gaz carbonique, ou réducteur tel le méthane ou l'hydrogène, ou des gaz inertes tels l'argon ou neutre tels l'azote, l'injection pouvant s'effectuer le cas échéant sous forme de mélange, et au cours du processus on peut modifier le débit injecté en conservant le cas échéant la proportion des mélanges requis. A titre d'exemple, on peut injecter un mélange o2/CO2/Ar approprié au travers d'une tuyère unique telle que représentée aux figures 1 et 2, en utilisant la réaction endothermique du craquage de la molécule de OG2 pour refroidir le nez de la tuyère. D'une façon générale, durant toute la fusion, un gaz neutre (azote ou argon) passe au travers de la tuyère simple ou double pour interdire toute infiltration de métal liquide dans celle-ci. Le débit de gaz est compris entre 1 et 1,5 M3/h, de façon à générer en mee tenps un léger brassage qui accélère lafusion en augmentant l échange thermique entre métal liquide et blocs infondus. Lorsque le métal liquide est à la température requise, on peut entreprendre le traitement métallurgique proprement dit et on procède aux différentes injections de gaz aux débits et proportions convenables. Cette opération peut avantageusement être prograrmse et pilotée par ordinateur en se référant à quelques coulées d'essais préliminaires. Toutes les additions de corrections sont faites ensuite en général avec un débit de gaz un peu supérieur au débit minimum de non colmatage de la tuyère. L'intérêt principal du procédé est de pouvoir contrôler parfaitement la température du métal liquide, facteur décisif à l'égard des réactions chimiques mises er, jeu pendant l'élaboration, et paramètre fondamental en ce qui concerne la tenpérature finale ou température de coulée, et cet avantage est d'autant plus accentué que les capacités sont faibles, généralement entre 100 et 1500 kg notamment En fonderie d'acier, il est possible d'envisager la coulée directe du four en moules, sans transfert en poche intermédiaire, évitant ainsi refroidissement et pollution supplémentaire du métal. A titre d'exemple, on décrit ci-après quelques traitements métallurgiques. - Décarburation et oxydation contrôlée A partir de 600 kg d'un alliage de fer et de carbone à 1,5 %, traité dans un four de capacité nominale d'une forme, 1 injection d'oxygène pur (et de gaz naturel pour refroidir le nez de la tuyère) à un débit de 15 Ni3/h permet d'atteindre 0,2 % demcarbone en 30 minutes environ. Le rendement de l'oxygène est de 90 % dans cette phase de décarburation avec une hauteur de métal de 55 an. La teneur en oxygène dissout est de 50 ppm. La dilution de l'oxygène par de l'argon et la substitution du gaz naturel par de l'argon débutent alors, la quantité d'argon du mélange étant inversement proportionnelle à la teneur en carbone du métal selon la relation suivante % Ar x 100 = - 20 (% C)2 + 0,8 En 20 minutes environ, on atteint 0,05 % C et une teneur en oxygène dissout inférieure à 200 ppm. En fin d'affinage, l'oxygène est totalement coupé et le débit d'argon rouit à 5 Nhl3/h pour procéder à la mise à nuance souhaitée. - Décarburation d'acier au chrane La même technique peut être employée pour le traitement de certains aciers alliés tels que les aciers au Cr. En partant de 600 kg d'alliage de composition voisine de 0,5 % de carbone et 22 90 de chrame, porté à 1550cl, la décarburation comnence par l'insufflation de 10 à 15 n3/h d'un mélange gazeux constitué de 15 % de gaz neutre (Ar ou N2) et 85 % d'oxygène. Am cours de la décarburation, le mélange est progressivement enrichi en gaz neutre. Jusqu'd 0,2 90 C, une partie de l'argon ou de l'azote peut être remplacée par du CO2. En fin d'affinage, le mélange utilisé comprend 85 90 d'argon. La durée totale du traitement qui conduit à une teneur en carbone de 0,05 % est de l'ordre de 30 minutes, après quoi le débit d'oxygène est stopé, et un faible débit d'argon est seulement maintenu (5 Nm3/h) pour favoriser la réduction, la mise au titre et la décantation des inclusions. - la déphosphoration à l'aide de chaux en poudre introduite dans le bain, à température relativement basse, soit par la tuyère centrale avec l'oxygène, soit à la lance - la désulfuration, à température plus élevée, la chaux étant véhiculée dans la tuyère centrale par de l'argon ou de l'azote. - le traitement de désoxydation et de dégazage de cuivre de haute pureté en injectant de l'hydrogène et de l'azote en début d'opération, puis uniquement de l'azote à la fin pour obtenir sur métal solide, après coulée bien inertée une teneur en oxygène de l'ordre de 10 ppr et une densité de 8,96. Les domaines d'application de l'invention sont définis par les deux contraintes inhérantes à cette technique (hauteur de garde qui limite la capacité minimale des fours et injection permanenete de gaz tant qu'il y a du métal liquide dans le four) qui sont plus que contrebalancées par l'avantage d'une maîtrise parfaite de la température de coulée, même dans le cas de faibles et très faibles capacités . 1000 à 100 kg. Ceci couvre précisen-ient la plage inaccessible au convertisseur plage qui pour des raisons de pertes thermiques commence au dessous de 1000 ss 1500 kg. L'invention s'applique également en fonderie d'aciers très élaborés et de petites pièces. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitements métallurgiques sur de faibles quantités de métal, de l'ordre de 100à 1.500 kg, caractérisé en ce qu'on fait-fondre une telle quantité de métal dans un four du type à induction, dont le fond est équipé d'au moins une tuyère insufflatrice de gaz pour au moins un gaz actif tel l'oxygène, le méthane, l'hydrogène, le cas échéant en mélange, éventuellement pour un gaz neutre tel l'argon et/ou azote, et en ce qu'on procède au traitement métallurgique proprement dit à la température correcte qui est maintenue et/ou régulée tout au long dudit traitement métallurgique par réglage de l'alimentation électrique des inducteurs de four, l'insufflation étant cependant maintenue avec un gaz inerte tel l'argon hors de la période de traitement métallurgique aussi longtemps qu'il subsiste du métal liquide dans le creuset de four. 2. Procédé de coulée d'acier mettant en oeuvre le procédé de traitement métallurgique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une fois le métal mis à nuance correcte, on le déverse directement dans des moules sans transfert en poche intermédiaire. 3. Procédé de coulée d'acier mettant en oeuvre le procédé de traitement métallurgique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une fois le métal mis à nuance correcte, on le transfert vers des moules en poche parfaitement isolée et préchauffée à très haute température. 4. Four à induction du genre comprenant un creuset allongé (1) selon le sens vertical entouré d'enroulements électriques inducteurs (3) et incorporant un socle de briques réfractaires (2), caractérisé par un bloc-tuyère (14-15) monté au travers d'un passage de traversée (1) du socle et du fond (2) de creuset, maintenu en position de serrage étanche contre ladite paroi de passage par un moyen-support externe (18) fixé au blindage externe (4) de four, ladite tuyère (14-15) débouchant vers I'extérieur par un conduit axial d'injection de gaz (14). 5. Four à induction selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit axial est situé à l'intérieur d'un second conduit axial définissant un conduit annulaire de passage de gaz. 6. Four à induction selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il est associé à une rehausse ou garde annulaire montée de façon étanche sur le pourtour supérieur du creuset de four.