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La présente invention concerne l'élaboration, au conver-
tisseur, d'aciers lnoxydables et s'applique particulièrement bien
à l'élaboration d'aciers inoxydables à très basse teneur en car-
bone.
L'élaboration des aciers inoxydables pose des problèmes
particuliers en raison, d'une part, de leur teneur en chrome éle-
vée et, d'autre part, de la nécessité d'avoir une teneur en car-
bone aussi faible que possible. En effet, l'existence d'un équi-
libre, entre le carbone, le chrome et l'oxygène impose une limite
inférieure, dépendant des conditions opératoires, à la teneur en
carbone du bain.
Les procédés les plus anciens de préparation d'aciers
inoxydables consistaient essentiellement à affiner au four élec-
trique des charges composées principalement de déchets d'acier
inoxydable. Mais, par cette méthode il n'était pas possible d'ob-
tenir des aciers très doux, à moins de partir de produits à très
faible teneur en chrome et d'effectuer, en fin d'affinage, des
additions de ferro-chrome à très bas carbone. L'injection d'oxy-
gène, au cours du traitement au four électrique, a eu pour résul-
tat une amélioration sensible en permettant d'élever fortement latempérature du bain, et de déplacer ainsi les équilibres carbone-
chrome-oxygène. Cependant, même dans ces conditions, il n'était
pas possible de préparer directement des aciers inoxydables
contenant moins de 0,04% de carbone, en outre les hautes tempéra-
tures nécessaires entraînaient de fortes consommations thermiques
et une usure rapide des réfractaires.
L'utilisation du vide d'abord, puis celle, constituant
un progrès encore plus important, d'un diluant gazeux de l'oxyde
de carbone ont pu permettre de descendre jusqu'à de très faibles
teneurs en carbone sans pertes en chrome trop importantes et
sans élévation trop grande de la température d'affinage. Depuis,
quelques améliorations, d'ordre économique, par emploi de dilu-
ants moins onéreux, ont été proposées.
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Le but de la présente invention est de fournir un
nouveau procédé perfectionné d'élaboration d'aciers inoxydables,
ayant notamment 1'avantage sur les procédés connus d'augmenter
la durée de vie des réfractaires du récipient d'affinage.
A cet effet l'invention a pour objet un procédé
d'élaboration, au convertisseur, d'acier inoxydable dans
lequel on insuffle, à l'aide d'au moins une tuyère comportant
des circuits coaxiaux indépendants, un gaz d'affinage oxydant
dans le bain métallique, par le conduit central de la tuyère,
caractérisé en ce que l'on utilise comme gaz oxydant de
l'oxygène pur, on dilue ensuite cet oxygène par de l'argon
gazeux et on injecte de l'argon liquide par le circuit péri-
phérique de la tuyère, et en ce qu'on poursuit l'affinage
jusqu'à atteindre la teneur en carbone ~inale désirée.
On pourrait commercer la dilution par l'argon
gazeux avant que la teneur en carbone soit celle d'équilibre
avec le chrome à la température du bain, n'insufflant ainsi
de l'oxygène pur qu'en début d'affinage.
Cependant, de préférence, suivant une autre carac-
téristique de l'invention, on dilue l'oxygène par de l'argongazeux au moment où la teneur en carbone est devenue voisine
de celle de l'équilibre avec le chrome à la température du
bain, la dilution étant telle que le volume d'argon soit
supérieur ~ celui de l'oxygène, et on poursuit l'affinage
par de l'oxygène pur iusqu'à atteindre la teneur en carbone
finale désirée.
Dans les procédés connus, le gas diluant accomplit
en fait deux fonctions distinctes: une fonction métallurgique
et une fonction de refroidissement des tuyères. La première
de ces fonctions, qui consiste à déplacer les equilibres
carbone-chrome-oxygène, par diminution de la pression partiel-
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le de l'oxyde de carbone, vers une oxydation prépondérante
du carbone, s'exerce surtout pendant la fin de l'affinage.
La seconde fonction, bien qu'elle ne soit pas considérée
comme la fonction principale, s'exerce pendant toute la
durée de l'insufflation du gaz diluant.
Comme on le comprend, 1 r idée de base de l'invention
est de dissocier partiellement ces deux fonctions en les
faisant remplir par un même corps9 l~argon sous deux états
physiques diffé-
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rents, chacun d'eux étant plus spécialement adapté à l'accomplissement de l'une des fonctions.
En effet, si, du point de vue refroidissement, on com-
pare l'argon gazeux et l'a~gon liqui~e on voit que le premier su-
bit seulement un échauffement d'environ 25~C à environ 1~00~C,
absorbant ainsi 0,19~ thermies par kg, tandis qu'avec le second
on peut enlever 0,260 thermies par kg. De plus, avec un gaz li-
quéfié, et c'est là un résultat inattendu, l'absorption d'éner-
gie est très localisée au nez de la tuyère et par conséquent
l'effet obtenu encore plus important que ne le laisserait prévoir
la thermodynamique. Donc, pour un même refroidissement il faut
utiliser beaucoup moins d'argon liquide que d'argon gazeux et on
peut même, avec l'argon liquide, abaisser beaucoup plus la tempé-
rature des tuyères en évitant ainsi leur usure. Suivant une ca-
ractéristique du procédé selon l'invention, on n'insufflera pas
d'argon gazeux pendant la période d'affinage proprement dite,
tant que l'on ne sera pas proche des teneurs d'équilibre. Par
contre, pour l'accomplissement de sa fonction métallurgique, seu-
le compte la quantité d'argon employé: il doit être insufflé a-
vec un débit suffisant pour diluer efficacement l'oxyde de carbo-
ne. Il est par conséquent plus avantageux de l'utiliser sous
forme gazeuse et, au cours de la fin de l'affinage, on insufflera
un mélange d'oxygène et d'argon à teneur élevée en argon. De
l'argon liquide sera cependant injecté pendant cette partie de
l'affinage afin de refroidir efficacement les tuyères et d'éviter
leur usure.
On peut donc, avec le procédé selon l'invention, régler
le refroidissement des tuyères indépendamment des problèmes mé-
tallurgiques de décarburation et réaliser ainsi, par emploi judi--
cieux de l'argon sous deux états physiques, une économie totalede cet élément importante, de l'ordre du quart de la quantité né-
cessaire lorsqu'il est insufflé sous forme gazeuse seulement. ,'
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Un des problèmes rencontrés lors de l'élaboration d'a-
ciers inoxydables par les procédés utilises jusque-là est celui
de la tenue des réfractaires: un revêtement dure, en effet, géné-
ralement une quarantaine et au maximum une centaine de charges.
L'usure prépondérante ne se situe pas au niveau du laitier, pour-
tant aggressif, mais à celui des tuyères. Le procédé selon l'in-
vention, ayant pour résultat un refroidissement plus efficace des
tuyères permet, et ce n'est pas un avantage négligeable, de pro-
longer la durée de vie des garnissages. De préférence, ces tuyè-
res seront placées au fond du convertisseur et non sur les cotés,afin de ne changer, pour un certain nombre de réfections du ré-
fractaire tout au moins, que le fond du convertisseur.
D'autre part, lorsque le refroidissement des tuyères
est assuré par l'argon gazeux seul, il n'est pas possible, par
suite de la protection insuffisante des tuyères, d'avoir une pé-
riode d'affinage proprement dit, c'est-à-dire avant d'atteindre
le voisinage de l'équilibre, très longue et donc d'insuffler un
fort volume d'oxygène. Par conséquent il n'est pas possible,
par ce procédé, d'affiner des charges à très haute teneur initia-
le en carbone et généralement, le métal traité contient initia-
lement 1,~ à 3% de carbone. Par contre, avec le procédé selon
l'invention, les tuyères sont refroidies de façon suffisamment
efficace pour permettre, sans usure trop importante, de très lon-
gues périodes d'affinage proprement dit. On peut donc partir de
charges fortement carburées, et en particulier de fontes au chro-
me contenant jusqu'à 7/O de carbone.
A titre de variante d'exécution, pendant la période
d'affinage proprement dit, on peut remplacer l'argon liquide par
de l'oxygène liquide, utilisant ainsi, puisqu'il s'agit d'un af-
finage simple, le procedé objet du brevet français n 2.362.932,
on peut meme éventuellement pendant cette période assurer le
refroidissement à l'aide d'azote liquide. Ces deux
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gaz liquéfiés ont, par rapport à l'argon liquide l'avantage d'ê-
tre d'un prix de revient moins élevé, c'est pourquoi il peut être
intéressant de les employer. Bien entendu, lorsque l'on atteint
le voisinage de l'équilibre carbone-chrome-oxygène il convient
d'insuffler un mélange d'oxygène et d'argon gazeux par le con-
duit central de la tuyère et d'injecter de l'argon liquide par le
circuit périphérique.
La mise en oeuvre du procédé selon l'invention ne né-
cessite pas de dispositif particulier: il suffit de tuyères
classiques à double alimentation, comportant un conduit central,
pour les gaz et un circuit périphérique, pour l'argon liquide,
de sections convenables. Des tuyères de ce type sont couramment
utilisées dans les techniques d'affinage par le fond. Elles
sont formées de deux tubes concentriques entre lesquels est ména-
gé un espace annulaire; les gaz sont insufflés par le tube cen-
tral et le liquide est injecté par l'espace annulaire. On peut
également utiliser des tuyères à triple circuit d'alimentation
formées de trois tubes coaxiaux de dimensions convenables, l'o-
xygène etant insufflé, par exemple par le tube central, l'argon
gazeux par l'espace annulaire central et l'argon liquide injecté
par l'espace annulaire extérieur. Ces tuyères, un convertisseur
d'affinage en comporte généralement plusieurs, seront de préfé-
; rence placées dans le fond, afin de bénéficier de tous les avan-
tages du procédé selon l'invention, mais il est bien clair que
d'autres dispositions pourraient également convenir.
Le procédé selon l'invention peut être illustré à l'ai-
de de l'exemple, nullement limitatif, suivant. La charge préala-
blement fondue, généralement au four à arc contient de 1,5 à 3%
de carbone et de 0,5 à 1,5% de silicium. La teneur en chrome
est voisine de celle correspondant aux spécifications de l'acier
inoxydable que l'on veut préparer. L'affinage débute par souf-
flage d'oxygène pur, dans le circuit central des tuyères, de l'ar-
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gon liquide étant injecté par le circuit périphérique. L'insuf-
flation d'oxygène pur peut être continuée jusqu'à ce que la te-
neur en carbone du bain soit voisine de la teneur d'équilibre a-
vec le chrome, c'est-à-dire généralement voisine de 0,3%. Mais
on peut également commencer à insuffler de l'argon gazeux en quan-
tité relativement faible (le rapport des quantités, exprimées en
volume d'oxygène et d'argon étant au plus égal à ~) avant d'at-
teindre cette teneur. Lorsqu'on atteint une teneur en carbone
voisine de la teneur d'équilibre avec le chrome, il est nécessai-
re, pour éviter une oxydation abusive du chrome, de déplacer l'é-
quilibre carbone-oxygène. Pour cela on réduit la quantité d'oxy-
gène insufflé et on augmente celle d'argon jusqu'à ce que les
rapports des quantités respectives, en volume, de ces deux gaz
soient de l'ordre de 1. On continue à injecter de l'argon liqui-
de par le conduit périphérique mais, l'argon gazeux étant en quan-
tité suffisante pour participer au refroidissement des tuyères,
le débit d'argon liquide peut éventuellement être réduit. Lors- ~ --
que la teneur en carbone finale désirée, qui peut être inférieure
à 0,01% est atteinte, on cesse l'insufflation d'oxygène, de l'ar-
gon gazeux continuant à être insufflé, et on procède à la réduc-
tion du chrome qui, en faible quantité, a pu être oxydé. Cette
réduction est effectuée à l'aide de ferrosilicium ou d'aluminium
ou d'un mélange des deux. On procède ensuite aux additions fina-
les, permettant d'ajuster les teneurs en éléments d'alliage aux
valeurs désirées, et à une éventuelle désulfuration. L'acier
peut alors être coulé.
L'élaboration d'acier inoxydable par le procédé selon
l'invention nécessite environ 15 à 25 Nm d'oxygène par tonne,
ainsi que 0,1 à 0,3 kg environ d'argon liquide par Nm3 d'oxygène
insufflé. Cet argon est sous une pression de 1 à 10 bars environ
et sa température est voisine de - 170C.
Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir des
aciers inoxydables à très basses teneurs en carbone, avec, au
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cours de l'affinage, de faibles pertes en chrome et d'augmenter
la durée de vie des garnissages et des tuyères.
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