Brevet FR2739312A1 — publié le 19970404

ELEMENT POREUX DESTINE A L'AFFINAGE D'UN METAL LIQUIDE DANS UN RECIPIENT METALLURGIQUE. La présente invention concerne un récipient métallurgique tel qu'une poche contenant un métal en fusion, recouvert d'un garnissage réfractaire et muni d'au moins un trou destiné à recevoir un élément poreux servant à l'affinage par insufflation à l'intérieur du récipient métallurgique d'un gaz de brassage, et plus particulièrement dudit élément poreux. L'emploi du gaz de brassage lors du traitement d'un métal en fusion tel que par exemple de l'acier est d'une importance particulière et avec le développement de la métallurgie en poche, les dispositifs de brassage au gaz dans le fond ou la paroi de la poche sont devenus partie intégrante de l'équipement. L'injection d'un gaz neutre en poche, principalement de l'argon, permet de réaliser un certain nombre d'opérations. Elle permet, grâce au brassage qu'elle induit, d'effectuer l'homogénéisation thermique et chimique du métal fondu et d'éliminer les inclusions en favorisant les réactions d'échanges entre le métal et le laitier. Elle permet également les réactions d'échanges entre le métal et le gaz dans le cas des traitements de dégazage sous vide ou de renitruration par exemple. Pour garantir la réussite des opérations, il faut disposer d'un brassage qui soit d'une part efficace, c'est à dire qui concerne tout le récipient métallurgique, et d'autre part qui soit reproductible à l'identique, c'est à dire en particulier qu'une même quantité de débit ou de pression de gaz soit le reflet des mêmes phénomènes. II est connu pour permettre l'insufflation à l'intérieur du récipient métallurgique d'utiliser un bouchon de brassage fabriqué de manière à posséder une porosité élevée ou bien une densité élevée à porosité dirigée. Dans les bouchons à porosité élevée, le flux de gaz s'effectue à travers le matériau constitutif lui-même, et dans les bouchons à densité élevée encore appelés bouchons à porosité dirigée, le gaz est conduit par des passages de gaz longitudinaux calibrés, ménagés à l'intérieur du corps du bouchon. Ces derniers types de bouchons sont utilisés en général dans des cas de fortes sollicitations thermiques ou de longues périodes de brassage et sont généralement constitués d'un corps tronconique en matériau réfractaire ayant une pluralité de passages de gaz longitudinaux et parallèles. La présente invention concerne ce dernier type d'élément poreux à porosité dirigée. Les éléments poreux subissent des sollicitations d'ordre chimique, mécanique et thermique. Lorsque l'élément poreux est installé dans le fond ou la paroi d'un récipient métallurgique, il va subir trois chocs thermiques principaux. Tout d'abord lors du remplissage du récipient métallurgique, L'élément poreux va subir un premier choc thermique violent car sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique, dite face chaude, passe de manière quasiment instantanée d'environ 1000 "C, température de préchauffage du récipient métallurgique, à environ 1600 "C, température du métal en fusion. Ce premier choc thermique engendre des contraintes de compression en face chaude de l'élément poreux et des contraintes de traction derrière cette face chaude. Ensuite pendant le brassage du métal contenu dans le récipient métallurgique, on souffle un gaz froid à travers les passages de gaz, ce qui fait que la face chaude de l'élément poreux va se refroidir et sa température peut descendre en dessous de 1000 "C. Ce second choc thermique engendre des contraintes de tractions sur la face chaude de l'élément poreux et des contraintes de compression derrière cette face chaude. Enfin après brassage, on arrête le soufflage du gaz et on vide le récipient métallurgique du métal en fusion qu'il contenait et pour éviter que les passages de gaz ne se bouchent avec du métal, on pratique souvent un nettoyage de l'élément poreux par brûlage du métal avec de l'oxygène par l'intérieur du récipient métallurgique. Cette opération engendre un choc thermique du même ordre que le premier, et engendre donc des contraintes de compression en face chaude et des contraintes de traction derrière la face chaude. Les sollicitations chimiques sont dues à la corrosion par le laitier et les oxydes de fer contenus dans la poche. Par exemple dans le cas des systèmes alumine (A1203) - Chaux (CaO) - Silice (SiO2) - oxyde de fer (Fe203), il y a formation de composés à bas point de fusion, jusqu'à environ 1280 "C, qui vont fondre. On assiste également, principalement pour les bouchons poreux à porosité dirigée, à un périssement desdits bouchons poreux du fait des infiltrations de métal à l'intérieur des passages de gaz après arrêt du soufflage. Ces infiltrations engendrent des contraintes thermomécaniques qui entraînent une fissuration du matériau réfractaire entre les passages de gaz qui peut entraîner un arrachement des morceaux fracturés lors du soufflage suivant. Compte tenu de ces différents phénomènes, les bouchons poreux connus, qu'ils soient à canaux, à plaquettes ou à labyrinthe, ont, à titre d'exemple pour une aciérie donnée, une durée de vie d'environ 10 à 15 coulées, ce qui est faible comparé à la durée de vie du garnissage réfractaire d'un récipient métallurgique, qui peut être de 80 coulées. II est bien évident que ces valeurs de durée de vie sont relatives à une aciérie donnée et peuvent être différentes selon les aciéries, mais l'ordre de grandeur du rapport entre les durées de vie des bouchons poreux et des garnissages réfractaires des poches reste sensiblement le même. II est donc nécessaire de changer le bouchon poreux 3 à 7 fois, selon les aciéries, avant de changer le garnissage réfractaire du récipient métallurgique et pour cela de fabriquer des bouchons poreux fixés au fond ou à la paroi du récipient métallurgique par l'intermédiaire d'une brique de siège. La présente invention a pour objet un récipient métallurgique tel qu'une poche contenant un métal en fusion, recouvert d'un garnissage réfractaire et muni d'au moins un trou destiné à recevoir un élément poreux servant à l'affinage par insufflation à l'intérieur du récipient métallurgique d'un gaz de brassage, dont l'élément poreux a une durée de vie sensiblement égale à celui du garnissage réfractaire du récipient métallurgique et de ce fait permet de supprimer la brique de siège. La présente invention concerne plus particulièrement un élément poreux destiné à l'affinage d'un métal liquide contenu dans un récipient métallurgique par insufflation par le fond dudit récipient d'un gaz de brassage, ledit élément poreux étant constitué d'un corps réfractaire muni d'une pluralité de passages de gaz et étant disposé dans un trou ménagé dans le récipient métallurgique, caractérisé en ce que le corps de l'élément poreux présente des dimensions extérieures correspondant sensiblement aux dimensions du trou tout en restant inférieures à celles-ci. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, - les dimensions du périmètre de la section transversale de l'élément poreux sont comprises entre les dimensions de la section transversale du trou moins 5% et ces dimensions moins 15%, - L'élément poreux est maçonné directement à l'intérieur du trou, - les passages de gaz sont le plus éloignés possibles les uns des autres et des parois latérales de l'élément poreux de manière à ménager entre lesdits passages de gaz un grand volume de matériau réfractaire, - les passages de gaz sont des fentes présentant en coupe transversale la forme générale d'un rectangle et en coupe longitudinale la forme d'une vrille, I'angle de vrillage entre le pied et la tête de la vrille étant au moins égal à 180 degrés, - les passages de gaz sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur au moins le tiers de la hauteur de l'élément poreux, du côté de sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique, - les passages de gaz sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur au moins la moitié de la hauteur de l'élément poreux, du côté de sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique, - les passages de gaz sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur la totalité de la hauteur de l'élément poreux, - I'extrémité des passages de gaz débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à un disque d'alimentation en gaz de brassage, - les passages de gaz sont convergents dans la partie supérieure de l'élément poreux, côté intérieur du récipient métallurgique, et divergents dans la partie inférieure de l'élément poreux, côté extérieur du récipient métallurgique, - I'extrémité des passages de gaz débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à une chambre d'alimentation en gaz de brassage, - le degré de convergence des passages de gaz est compris entre 1 et 5 degrés, La présente invention concerne également un récipient métallurgique tel qu'une poche contenant un métal liquide, recouvert intérieurement d'un garnissage réfractaire, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un trou recevant un élément poreux selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Les caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la suite de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un récipient métallurgique selon l'invention; - La Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale agrandie d'un exemple de réalisation d'un élément poreux selon l'invention; - La Fig. 3 est une vue en coupe longitudinale agrandie d'un autre exemple de réalisation d'un élément poreux selon l'invention; - Les Fig. 4 à 6 sont des vues en plan de dessus agrandies d'exemples de réalisation d'un élément poreux selon l'invention. L'invention concerne un élément poreux destiné à l'affinage d'un métal liquide contenu dans un récipient métallurgique par insufflation par le fond dudit récipient d'un gaz de brassage. Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. île récipient métallurgique est une poche à acier constitué d'une carcasse métallique 1 comprenant un fond 2 et une paroi périphérique 3, recouverte intérieurement d'abord d'un béton réfractaire appelé béton de sécurité 4 puis d'un garnissage réfractaire 5 réalisé par maçonnage de briques réfractaires. Le récipient métallurgique est muni d'au moins un trou 6, ménagé dans le fond 2 ou dans la paroi périphérique 3, destiné à recevoir un élément poreux 7 servant à l'affinage du métal en fusion par insufflation à l'intérieur du récipient d'un gaz de brassage. Dans l'exemple de réalisation représenté, la poche à acier est munie d'un trou 6, ménagé dans son fond 2. L'élément poreux 7 est constitué d'un corps réfractaire 8 ayant une pluralité de passages de gaz longitudinaux 9. Une caractéristique importante de l'élément poreux selon l'invention est que le corps 8 dudit élément poreux présente des dimensions extérieures correspondant sensiblement aux dimensions du trou 6, tout en restant inférieures à celles-ci. De préférence, la section transversale de l'élément poreux 7 est quasiment identique à la section transversale du trou 6 et les dimensions du périmètre de la section transversale de l'élément poreux 7 sont comprises entre les dimensions de la section transversale du trou 6 moins 5% et ces dimensions moins 15%. Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans le fait que les passages de gaz 9 sont le plus éloignés possibles les uns des autres et des parois latérales de l'élément poreux 7 de manière à ménager entre lesdits passages de gaz 9 un grand volume de matériau réfractaire. Cette caractéristique est importante car elle permet de diminuer les contraintes thermomécaniques dans l'élément poreux. Une troisième caractéristique de l'invention réside dans le fait que les passages de gaz 9 sont des fentes présentant en coupe transversale la forme générale d'un rectangle et en coupe longitudinale la forme d'une vrille. De préférence, I'angle de vrillage entre le pied et la tête de la vrille est au moins égal à 180 degrés. Enfin une autre caractéristique de l'invention, qui peut être combinée avec la précédente ou non, réside dans le fait que les passages de gaz 9 sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur au moins le tiers de la hauteur de l'élément poreux 7, de préférence sur au moins la moitié de la hauteur de l'élément poreux 7, du côté de sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique. De manière préférentielle, le degré de convergence des passages de gaz est compris entre 1 et 5 degrés. Cette caractéristique permet de limiter l'arrachement des morceaux de réfractaire éventuellement fracturés lors de soufflage du gaz de brassage et ainsi de limiter et retarder les dégradations mécaniques subies par l'élément poreux 7. Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 2, L'élément poreux 7 est muni d'une tôle support 12 comportant des dents 13 destinées à son ancrage dans le corps 8 dudit élément poreux 7. Les passages de gaz 9 sont répartis à l'intérieur de l'élément poreux 7 de manière telle que leurs extrémités 14 débouchantes à l'intérieur du récipient métallurgique soient le plus éloignées possibles les unes des autres. Dans cet exemple de réalisation, les passages de gaz 9 sont convergents dans la partie supérieure 10 de l'élément poreux 7, côté intérieur du récipient métallurgique, et divergents dans la partie inférieure 11 de l'élément poreux 7, côté extérieur du récipient métallurgique. Dans ce cas, I'extrémité 17 des passages de gaz 9 débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à une chambre d'alimentation en gaz de brassage 15. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, les passages de gaz 9 sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur la totalité de la hauteur de l'élément poreux 7. Dans ce cas, I'extrémité 17 des passages de gaz 9 débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à un disque d'alimentation en gaz de brassage 16. Dans les exemples de réalisation de l'élément poreux 7 représentés sur les Fig. 4 et 5, les passages de gaz 9 sont des fentes dont l'épaisseur e est inférieure à 0,3 mm et dans l'exemple de réalisation de l'élément poreux 7 représenté à la Fig. 6, les passages de gaz 9 sont des orifices cylindriques dont le diamètre est inférieur à 0,3 mm. Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 5, les passages de gaz 9 qui sont des fentes sont décalées les unes par rapport aux autres, ce qui permet de limiter leurs zones en chevauchement et ainsi d'améliorer la tenue de l'élément poreux 7 aux chocs thermiques. La longueur et le nombre de fentes dans le cas d'une réalisation selon les exemples représentés Fig. 4 et 5, ainsi que le nombre d'orifices dans le cas d'une réalisation selon l'exemple représenté à la Fig. 6, sont définis en fonction des récipients métallurgiques et du traitement métallurgique à effectuer par soufflage à travers l'élément poreux 7. En effet, la section totale des passages de gaz est définie par le débit de gaz de soufflage nécessaire au traitement métallurgique. Ainsi, si le traitement nécessite un faible débit de gaz, L'élément poreux 7 sera muni d'un petit nombre de passages de gaz 9 et si le traitement nécessite un important débit de gaz, L'élément poreux 7 sera muni d'un plus grand nombre de passages de gaz9. La caractéristique selon laquelle on limite l'épaisseur ou le diamètre des passages de gaz 9 à 0,3 mm permet de s'affranchir des problèmes de risques d'infiltration de métal dans lesdits passages de gaz. Le corps réfractaire 8 est réalisé en matériau ayant une réfractarité supérieure à 1600 "C et ayant des caractéristiques telles qu'il résiste aux sollicitations chimiques et thermomécaniques de son environnement. Pour cela, il y a lieu d'optimiser le coefficient de résistance au choc thermique R = aala E où a est la résistance mécanique du matériau a est la diffusivité thermique du matériau CL est le coefficient de dilatation du matériau E est le module d'élasticité du matériau. Le corps réfractaire 8 peut être réalisé en plusieurs matériaux différents, un premier matériau réfractaire constitutif de la partie du corps réfractaire située vers l'intérieur du récipient métallurgique, par exemple un matériau à base de silice vitreuse et de mullite éventuellement associés à du graphite et du carbure de silicium, et un second matériau réfractaire constitutif de la partie du corps réfractaire située vers l'extérieur du récipient métallurgique, par exemple un matériau à base de corindon. A titre d'exemple, le corps réfractaire 8 de l'élément poreux 7 est réalisé en un matériau comprenant en pour cent poids de 4 à 5 % de carbone, de 5 à 15 % de carbure de silicium SiC, le reste étant de l'alumine AI203 électrofondue ou tabulaire, ou en béton ultra basse teneur en ciment à base de silice vitreuse dont le coefficient de dilatation est inférieur à 1.i 1.10 et dont la résistance au choc thermique est très bonne. De tels matériaux possèdent une bonne résistance à l'érosion par le métal contenu dans le récipient métallurgique. Cependant, dans le cas où l'installation ne permet pas de maîtriser le choc thermique, il faut parfois mieux optimiser le paramètre de propagation de défauts R=yE!a2 où y est l'énergie de rupture. Pour cela, il est nécessaire que l'énergie de brassage soit limitée pour éviter les phénomènes trop intenses d'érosion. Ainsi un élément poreux 7 selon l'invention présente l'avantage de réduire le risque de fissuration du fait des chocs thermiques qu'il subit, et l'écartement des extrémités 14 des passages de gaz 9 débouchantes à l'intérieur du récipient métallurgique gardera une valeur constante permettant ainsi de limiter les risques d'infiltration. De plus, même en cas de fissuration du matériau réfractaire situé entre les passages de gaz 9, le fait de disposer de passages de gaz ayant la forme d'une vrille, ou de disposer de passages de gaz convergents, sur au moins le tiers de la hauteur de l'élément poreux, ou encore ces deux caractéristiques simultanément, permet d'éviter une dislocation trop rapide le l'élément poreux par arrachement des morceaux fissurés. Un tel élément poreux 7 a de ce fait une durée de vie sensiblement égale à celle du garnissage réfractaire 5 du fond du récipient métallurgique et il n'est plus nécessaire de le changer régulièrement. L'interposition d'une brique de siège entre le trou 6 ménagé dans le récipient métallurgique et ledit élément poreux 7 n'est donc plus nécessaire et il est tout à fait envisageable de maçonner directement l'élément poreux 7 dans le trou 6 du récipient métallurgique au moyen d'un béton réfractaire. Ceci présente un double avantage. D'une part la suppression de la brique de siège permet d'augmenter la taille de l'élément poreux 7 sans modifier le trou 6 ménagé dans le récipient métallurgique, ce qui permet un écartement maximal des extrémités 13 des passages de gaz 9. D'autre part, la suppression de la brique de siège permet de supprimer les problèmes d'infiltration de métal entre ladite brique de siège et l'élément poreux 7. Du fait que la durée de vie de l'élément poreux 7 est dans la plupart des cas égale à celle du garnissage réfractaire 5 du fond du récipient métallurgique, ledit élément poreux n'est plus démontable ce qui permet de supprimer les risques d'incidents liés au montage de l'élément poreux dans la brique de siège ainsi que les risques d'incidents liés au mouvement relatif qui pouvait intervenir entre le revêtement du fond du récipient métallurgique et l'élément poreux, ce dernier étant dans l'état de la technique maintenu en place par un dispositif indépendant. Enfin, d'un point de vue économique, le récipient métallurgique selon l'invention est disponible plus longtemps car il n'est nécessaire d'intervenir sur ledit récipient métallurgique qu'à chaque réfection totale du revêtement du récipient métallurgique ou suivant les conditions d'exploitation, au cours de réfections partielles nécessitant un refroidissement total de celui-ci. REVENDICATIONS 1 - Elément poreux destiné à l'affinage d'un métal liquide contenu dans un récipient métallurgique par insufflation par le fond dudit récipient d'un gaz de brassage, ledit élément poreux étant constitué d'un corps réfractaire (8) muni d'une pluralité de passages de gaz (9) et étant disposé dans un trou (6) ménagé dans le récipient métallurgique, caractérisé en ce que le corps (8) de l'élément poreux présente des dimensions extérieures correspondant sensiblement aux dimensions du trou (6) tout en restant inférieures à celles-ci. 2 - Elément poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions du périmètre de la section transversale de l'élément poreux sont comprises entre les dimensions de la section transversale du trou 6 moins 5% et ces dimensions moins 15%. 3 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est maçonné directement à l'intérieur du trou (6). 4 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont le plus éloignés possibles les uns des autres et des parois latérales de l'élément poreux de manière à ménager entre lesdits passages de gaz (9) un grand volume de matériau réfractaire. 5 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont des fentes présentant en coupe transversale la forme générale d'un rectangle et en coupe longitudinale la forme d'une vrille. 6 - Elément poreux selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'angle de vrillage entre le pied et la tête de la vrille est au moins égal à 180 degrés. 7 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur au moins le tiers de la hauteur de l'élément poreux, du côté de sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique. 8 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur au moins la moitié de la hauteur de L'élément poreux, du côté de sa face disposée à l'intérieur du récipient métallurgique. 9 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont convergents vers l'intérieur du récipient métallurgique sur la totalité de la hauteur de l'élément poreux. 10 - Elément poreux selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité (17) des passages de gaz (9) débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à un disque d'alimentation en gaz de brassage (16). 11 - Elément poreux selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les passages de gaz (9) sont convergents dans la partie supérieure de l'élément poreux, côté intérieur du récipient métallurgique, et divergents dans la partie inférieure de l'élément poreux, côté extérieur du récipient métallurgique. 12 - Elément poreux selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'extrémité (17) des passages de gaz (9) débouchant vers l'extérieur du récipient métallurgique sont reliées à une chambre d'alimentation en gaz de brassage (15). 13 - Elément poreux selon l'une des revendications 7 à 9 et 11, caractérisé en ce que le degré de convergence des passages de gaz (9) est compris entre 1 et 5 degrés. 14 - Récipient métallurgique tel qu'une poche contenant un métal liquide, recouvert intérieurement d'un garnissage réfractaire (5), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un trou (6) recevant un élément poreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.