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Le procede qui fait l'objet de l'invention concerne
la decarburation des fontes au chrome ou au chrome nickel,
contenant c~e llordre de 1,5 a 8 % en poids de carbone, de 10 a
30 % de Cr, jusqu'a 30 ~ de Ni, et eventuellement des additions
de Co, Mn et Mo.
On connait de nombreux procédés permettant de realiser
la decarbuxation des fontes par action de l'oxygène, seul ou en
melange avec d'autres gaz, a la pression atmosphérique, ou sous
pression réduite. L'oxyg~ne ou le mélange gazeux peut être mis
en contact avec le metal liquide par exemple par injection par
le fond d'un convertisseur, ou bien, au contraire, etre apporte
en surface au-dessus du niveau du metal.
En particulier, dans le procéde LD, la fonte à decar~
burer est traitee dans un convertisseur vertical au moyen d'une
lance disposee au-dessus du niveau de la fonte liquide. Cette
lance envoie un jet d'oxygène qui frappe la surface du bain
métallique liquide.
Les etudes faites récemment sur ce procédé permettent
de mieux comprendre l'action du jet d'oxygène sur le bain métal-
lique et le laitier qui le recouvre.
Ainsi, l'article ae J. SCHOOP, W. RESCH et G . MAHN:Il Reactions occuring during the oxygen top blown process and
calculation of metallurgical control parameters". (Ironmaking
and steelmaking, 1978, n~ 2, pages 72-7g) décrit le mécanisme
de la déphosphoration et de la decarburation d'une fonte par
le procédé LD appliqué a un convertisseur de 200 T. Cet article
montre que, dans ce procede, les reactions entre lloxygene et
le metal liquide ont lieu principalement grâce à la présence de
gouttelettes de metal liquide dans le laitier. Le debit de
metal liquide projeté en gouttelettes à travers le laitier est
fonction de la force d'impact du jet d'oxygene sur le metal
liquide. Ce debit de métal peut atteindre et même depasser
- 1-- ~j
une tonne par seconde. Dans ces conditions, on multiplie par
100 les surfaces de contact entre le metal liquide et le laitier.
Il ~ a formation d~une veritable emulsion entre le metal liquide,
le laitier et le melange gazeux, dont le volume depend non seu-
lement de la force d'impact du jet d'oxygène mais aussi des
caracteristiques de fluidite du laitier. Selon cet article,
pour des forces d'impact faibles, le phosphore est enlevé pré-
férentiellement; au contraire, pour de grandes forces d'impact,
c'est le carbone qui est enlevé préférentiellement.
Les analyses effectuées ont montré que, dans les
conditions favorables à la déphosphoration, la teneur en P des
gouttelettes est 100 fois plus faible que celle du bain metal-
lique. Un accroissement de la force d'impact du jet d'oxygene
sur le bain metallique favorise la réaction de decarburation car
il entralne un accroissement du débit de gouttelettes projetees
qui peut alors depasser, comme on l'a dit plus haut, la tonne
par seconde. La decarburation très rapide qui a lieu alors est
favorisee par l'éclatement des gouttelettes métalliques ~ui
résulte de la formation des bulles de CO.
L'article de A. C~ATTERJEE, N.O. LINDFORS e J.A.
WEST~R: " Process metallurgy of LD steelmaking" (Ironmaking
and Steelmaking (1976~ n~ 1) decrit plus particulierement le
processus de decarburation des fontes dans le procede LD. Il
montre clairement que le jet d'oxygene, supersonique à la sortie
de la tuyère, provoque par son impact une emulsion entre le métal
liquide, le laitier et une très importante phase gazeuse conte-
nant en proportions variables l'oxygène et les oxydes de carbone.
Le volume de l'emulsion depend beaucoup de la viscosite du lai-
tier. Les laitiers riches en FeO, tres fluides, donnent lieu ~
la formation d'emulsions dont le volume atteint 3 à 4 fois celui
du metal liquide en ~in de soufflage. Au sein de l'emulsion,
la decarburation des gouttelettes de metal liquide est causee
--2--
3~
par deux processus concurrents: l'oxydation du carbone par
l'oxygene contenu dans la phase gazeuse et l'oxydation du car-
bone par le FeO contenu dans le laitier.
Ce procede developpe initialement pour la decarbu-
ration des fontes ordinaires a eté utilise pour le traitement
des ~ontes au chrome, par exemple de la fason decrite dans
llarticle cle CARLSON et SHAW: " Stainless steel by B~F Process".
(Iron and Steel Eng., Août 1972, pages 53-~8). Cet article
montre qu'une ~onte synthétique au Cr, obtenue par mélange
de fonte d'acier ordinaire et de ferrochrome carburé, contenant
environ 4 ~ de carbone et environ 15 à 16 ~ de chrome, est
decarburée par insufflation d'oxygene jusqu'~ une teneur finale
en C de 0,05 %. En fin de décarburation la temperature dépasse
1900~C. Dans ce procedé, il se forme, principalement au début
du soufflage, des quantités importantes d'oxydes de Cr et de
Fe, par action de l'oxygène sur la fonte, qui passent dans le
laitier. Lorsque la concentration de ces oxydes dans le laitier
devient suffisamment élevée, ils réagissent à leur tour sur
le carbone contenu dans le bain métallique et le CO formé se
degage. Une partie de l'oxyde de chrome forme au debut de la
reactio~ est entralnee par les gaz chauds sous la ~orme de
poussieres. Une autre partie reste dans le laitier et peut,
au cours d'une operation ulterieure de reduction par silico-
thermie, etre réduite et recuperee.
Il s'agit donc d'un procede comportant plusieurs
étapes qui necessite un retraitement relativement coûteux du
laitier pour récupérer une partie du chrome, pax ailleurs,
l'oxyde de chrome entralne dans les ~az chauds est difficilement
récupérable. De plus, dans ce procédé, la présence nécessaire
d'un laitier riche en oxyde de Cr pour realiser la decarbura-
tion, ne présente pas que des avantages. En effet, ce laitier
reduit l'efficacite de l'impact du jet d'oxygène sur le bain
g67
metallique et, donc, ralentit le brassage de celui-ci. Il
en resulte que la décarburation est freinee et que, au con-
traire, les pertes en Cr par oxydation s'accroissent.
On a recherche la possibilite d'accélérer la decar-
buration des fontes au chrome, en realisant la décarburation
directe de ses fontes par l'oxygene, et en évitant au maximum
d'utiliser, pour decarburer, le contact entre la fonte et un
laitier riche en Cr2O3, lequel conduit a des pertes de Cr2O3
soit dans le laitier lui même, soit par entralnement dans les
fumées.
La presente invention consiste en un procedé de dé-
carburation d'une fonte au chrome contenant: C 1,5 a 8 ~,
Cr 10 à 30 %, Ni 0 à 30 %, Co + Mn + Mo 0 à 20 %, Si~ 4 % et les
impuretés habituelles, au moyen d'un jet d'oxygène, comportant
une zone supersonique, qui est dirigé vers la surface de la fonte
liquide, caractérisé en ce que au moins la phase finale de la
décarburation, qui débute à partir d'une teneur en carbone
CD/n, CD étant la teneur en carbone initiale de carbone de la
fonte, en poids ~, et n un nombre compris entre 1,5 et ,5 est
effectuee par action directe de l'oxygène sur la fonte au sein
d'une émulsion gaz/fonte liquide.
De façon plus détailléè, on introduit une fonte liquide
contenant C 1,5 ~ 8 %, Cr 10 à 30 ~, Ni 0 ~ 30 %, Co + Mn ~ Mo
0 à 20 %, Si ~4 %, et les impuretés habituelles, dans un con-
vertisseur vertical d'un type comparable à ceux utilisés pour
la décarburation par le procedé LD.
Ce convertisseur comporte un garnissage basique
resistant aux très hautes temperatures. On peut utiliser,
en particulier, des briques du type magnesie chrome.
On recouvre le metal d'une quantité limitee d'un
laitier à base de chaux.
La décarburation est effectuée par injection d'oxygène
~5~'7
a haute pression au moyen d'une lance qui penetre dans le con
vertisseur par la partie superieure. Cette lance comporte une
tuyere dite supersonique qui éme , en direction de la surface
du bain metallique, un jet dloxygene qui comporte une petite
zone dans laquelle la vitesse de ce gaz est effectivement su-
personique.
Cette zone s'étend le long de l'axe du jet sur une
longueur qui est fonction de la pression dloxygene et du diametre
de la tuyère au col, c'est-a-dire a l'endroit o~ son diametre
est le plus reduit. Le jet est oriente de fason sensiblement
verticale et la distance entre l'extremite de la tuyere et la
surface initiale du bain métallique est ajustée à une valeur
sensiblement egale a celle atteinte par l'extremite de la zone
supersonique du jet d'oxygène. Dans la pratique, la distance
lance-bain varie entre 5 et 30 fois le diametre du col de la
tu~ère. Par ailleurs, le débit specifique d'oxygène, par tonne
de fonte liquide, doit être d'environ 3 Nm3/mn sous une pression
variant entre 8 et 12 bars relatifs.
On observe, dans ces conditions, une premiere phase
de reaction au cours de laquelle la couche de laitier est pro-
gressivement expulsee de la sur~ace du bain par lejet gazeux,
e~ meme temps qu'une oxydation rapide des éléments les plus
oxydables contenus dans la fonte se produit. Dans cette période,
c'est principalement le chrome qui est oxyde. Dans le meme
temps, la température du métal s'elève rapidement. Dans une
seconde phaser le chrome oxydé à l'amorçage est réduit par
le carbone, présent a une teneur encore elevée dans le bain
metallique. Au cours de cette periode de reduction de l'oxyde
de chrome, la temperature continue a s'elever~ Au-delà d'une
temperature d'environ 1700 à 1800~C, une troisième phase de
reaction s'amorce, au cours de laquelle l'ebullition provoquee
par la reaction de l'oxygène sur le carbone du bain ne se produit
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plus seulement en surface, mais aussi au sein même du bain de
fonte. Il se forme alors une emulsion entre la phase gazeuse
et le métal liquide dont le niveau s'eleve progressivement et
qui vient entourer la lance d'injection. Au sein de cette
émulsion, l'oxygène est en contact direct avec le métal liquide
pratiquement sans intervention de laitier. On constate dans
ces conditions, un processus de decarburation directe extreme-
ment rapid~ du metal sans formation intermediaire d'oxyde de
chrome. L'émulsion gazlmetal qui s'est formee et dont le niveau
est monté au-dessus de la surface initiale du bain metallique
joue le rôle d'un filtre qui retient les particules solides
d'oxydes de fer, chrome ou autre métal qui pouxraient éventuel-
lement se former.
Grace à la mise en contact permanente d'une fraction
du volume du metal liquide qui peut largement depasser 25 %,
avec la phase gazeuse, l'efficacite de la decarburation est
accrue dans de larges proportions. Pour la meme raison, la
montee en température du metal liquide est beaucoup plus rapide
et, toutes choses egales par ailleurs, on constate qu'il est
possible de decarburer une fonte au Cr par ce procede de façon
très rapide et avec une vitesse sensiblement constante. Enfin,
l'emulsion gaz/metal joue le role de calorifuge et reduit de
façon très importante les pertes thermiques.
L'experience a montre qu'il est possible de maintenir
de façon stable l'emulsion ~az metal au cours de cette troisième
phase de reaction, la decarburation se poursuivant de façon très
rapide, et à vitesse sensiblement constante, jusqu'à une teneur
finale en carbone proche de 0,2 %. A cet instant, les analyses
effectuées ont montre que le rendement en Cr en solution dans
le baln métallique, est d'au moins 97 % en poids du Cr contenu
dans la fonte introduite initialement dans le convertisseur.
Ce résultat est obtenu sans addition d'un ou plusieurs elements
6~
ou composés reducteurs tel ~ue le silicium ou autres. Il est
possible d'abaisser encore davantage cette teneur en carbone
en prolongeant le soufflage d'oxygene, mais on obtient a partir
de ce moment-la une reoxydation du chrome, la diffusion du
carbone limitant la cinetique de reaction. Il est alors bien
preferable, si on desire reduire encore la teneur en carbone,
de mettre le convertisseur sous pression réduite, par exemple
en le recouvrant d'un couvercle etanche, comportant une cana-
lisation d'évacuation des gaz reliee à des pompes capables
d'abaisser la pression dans le convertisseur jusqu'a des niveaux
de l'ordre d'une dizaine de torrs ou un peu moins, avec une
eventuelle introduction complementaire d'oxygene et/ou gaz
neutre~
Dans bien des cas, la quantite d'oxygène presente dans
la fonte et le laitier residuel est suffisante pour oxyder le
carbone residuel et on arrive facilement à une teneur finale en
carbone inferieure a 0/03 %. Dans ces conditions le rendement
global en chrome est excellent et voisin de 98 ~. Comme cela
a ete dit plus haut, ce resultat est obtenu sans addition d'un
ou plusieurs elements ou composes reducteurs.
L'exemple non limitatif ci-apres decrit un mode de
mise en oeuvre de l'invention.
On elabore une fonte ayant la composition suivante:
Cr 17 %, C 6 ~, Si 0,3 ~, Mn 0,3 ~t S 0,03 ~, P <0,03 ~.
On porte à 1430~C une quantité de 60 kg de cette fonte
dans un four comportant un chauffage par induction, la surface
de la ~onte liquide etant recouverte d'environ 0,5 kg de chaux.
On injecte alors de l'oxygène au moyen d'une lance verticale
avec un debit de 168 Nl/mn sous une pression de 9 bars relatifs.
Le diametre au col de la buse est de 2 mm et la distance ver-
ticale entre l'extremite de la lance et le bain de 30 mm. L'oxy-
gene ainsi injecte entre en réaction avec le bain et on peut
3~5~L9~
observer troi~ phases successives de réaction.
Dans une première phase, l'oxyg~ne réagit principa-
lement a la surface du bain de ~onte en oxydant de preference
Cr, ~i et Fe; au fur et ~ mesure que les oxydes formes qui
contiennent en majeure partie du Cr203 s'accumulent a la surface
du bain, une reaction secondaire de reduction de ces oxydes par
le carbone s'amorce. La vitesse de cette réaction de reduction
s'accrolt peu a peu en meme temps que la temperature s'elève
environ 1650~C vers la dixiame minute. Le CO formé se degage
pendant ce temps et brule en donnant des flammes.
Dans une deuxième phase, à partir de la onzième
minute, la reduction des oxydes principalement de l'o~yde de
chrome par le carbone devient plus rapide que la formation de
ces oxydes. Dans cette periode de vive reaction, la temperature
s'elève encore, de façon cependant moins rapide. A partir de
la quinzieme minute environ, la vitesse de decarburation se
stabilise: la teneur en carbone qui est alors d'environ ~ ~
va continuer a decroltre au rythme d'a peu près 0,3 % par minute
et en meme temps on observera une reduction correspondante de
l'ox~de de chrome. Ce mécanisme va se poursuivre jusq~le vers la
vingti8me minute; la tempexature du bain atteint alors environ
1750~C tandis que la teneur en C s'est abaissee a environ 2,9 ~.
A la ~in de cette deu~i~me phase, les oxydes metalliques formes
initialement sont presque completement réduits.
Vers la 20eme minute, les conditions sont réunies pour
le demarrage d'une troisieme phase qui permettra d'abaisser
la teneur en carbone au-dessous de 0,3 % et pratiquement jusque
vers 0,2 ~. Au debut de cette troisième phase, la temperature
du bain de fonte est tres elevée. Dans ces conditions, en main-
tenant inchangées les conditions de débit d'oxygène et de dis-
tance entre l'extremite de la lance et le bain de fonte, on
observe la ~ormation, à partir du bain de ~onte lui-même, d'une
émulsion entre gaz et ~onte, qul recouvre rapidement la surface
du bain, puis se developpe en epaisseur jusqu'~ doubler le
volume initial de la fonte. Tout se passe comme si la fonte
elle-même, sous l'ac-tion du jet d'oxygene et de la formation
de CO, par reac-tion directe de l'oxygène avec le carbone con-
tenu dans cette fonte, entrait en ébullition dans toute sa
masse, grace aux conditions physico-chimiques réalisées. Au
sein de l'émulsion ainsi ~ormée, les vitesses de réaction sont
élevées ce qui permet la poursuite de la décarburation à un
lQ rythme rapide jusqu'~ une teneur finale en carbone d'environ
0,2 ~ qui est atteinte à la 29eme minute. La température est
alors de 1860~C environ et on arrëte le soufflage d'oxygène.
A ce stade les analyses effectuees montrent que le rendement
en Cr est de 97,5 % en poids.
La decarburation finale est ensuite effectuée, de
façon connue par mise sous ~ide du four au moyen de pompes
permettant d'atteindre une pression residuelle d'environ 2
torr en une vingtaine de minutes. Au cours de cette opération,
la teneur en carbone est abaissée jusque vers 0,02 %, unique-
ment grâce a l'oxygene present dans la fonte liquide et lelaitier residuel. A l'issue de cet essai, on constate que
le rendement en chrome est de 98 %.
Etant donné la faible quantite de fonte mise en oeuvre
dans cet essai, il est nécessaire de compenser les pertes
thermiques trop importantes. Pour cela on maintient pendant
toute la duree de l'opération un chauffage d'appoint par induc-
tion, a puissance sensiblement constante, de façon a compenser
au mieu~ les pertes thermiques. Un tel chauffage d'appoint
n'est rendu nécessaire que par l'échelle réduite de l'essai.
Il est evident qu'à l'échelle industrielle, ce chauffage serait
superflu.
Parmi les conditions qui favorisent la formation de
6~
l'emulsion entre la phase ga~euse et la fonte au chrome liquide,
on a constate qu'il était important, pour pouvoir declencher
la formation de l'emulsion gaz/métal, que la temperature initiale
du bain métallique satisfasse l'inegalite TD + 65 CD ~ 1740.
Dans cette relation:
= temperature initiale de la fonte au chrome en degres Celsius,
à l'instant du début du soufflage d'oxygène.
CD= teneur initiale en carbone de la fonte en % en poids.
On vait que, si la teneur en carbone de la fonte au
chrome est de 6 %, la temperature de celle-ci doit etre supe-
rieure à 1740 - 390 = 1350~C au moment du debut du soufflage
de l'oxygène. L'experience a montre que plus la temperature
reelle est ele~ee par rapport à la valeur critique ainsi deter-
minee, plus les conditions favorables à l'etablissement d'une
emulsion entre phase gazeuse et metal liquide apparaltront tôt,
au cours du processus de decarburation. Ceci veut dire que la
- durée des deux premi~res phases du processus de décarburation,
au cours desquelles l'élimination du carbone se fait principale-
ment par reduction des oxydes metalliques formes, sera d'autant
plus reduite au profit de la troisième phase de decarburation
directe de la fonte liquide, grâce a la formation d'une emulsion
gaz/métal.
Il convient de remarquer que le procéde peut s'ap-
pliquer non seulement à des fontes au Cr sans autres additions
importantes, mais aussi à des fontes au Cr comportant des ad-
ditions d'autres métaux tels que Ni, Co, Mn ou Mo. Il est
donc possible d'obtenir directement par ce procede, à partir
d'une fonte au Cr ou au NiCr, ayant subi des additions con~ena-
bles, des aciers inoxydables ~erritiques, semi-ferritiques,
austenitiques ou austénoferritiques~
L'expérience a montré qu'un des facteurs importants
qui garantissent la tenue de la tuyere d'injection d'oxygène
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~5~
~ l'interieur du convertisseur est l'auto-garnissage qui se
forme à la surface de ~ette tuyère pendant l'operation. Cette
tuy~re est, de preférence~ en cuivre refroidi par circulation
d'eau et sa surface se recouvre par projection d'une couche
d'oxydes très refractaires. Cette couche joue le double rôle
de calorifuge et de protection d~ la tuyere contre les risques
de percee et donc de fuite d'eau.
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