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CA 022~6249 1998-12-17
SOL 97/084
REACTEUR METALLURGIQUE DE TRAITEMENT SOUS PRESSION
REDUITE D'UN METAL LIQUIDE
L'invention concerne l'élaboration des métaux à l'état liquide, notamment de
s l'acier. Elle s'applique particulièrement à l'élaboration d'aciers de haute pureté, à teneurs
extrêmement faibles en carbone, voire également en azote, en hydrogène et en oxygène.
L'utilisation lors de l'élaboration de l'acier liquide de réacteurs sous vide du type
appelé "RH" est aujourd'hui courante. On rappelle que ces réacteurs se composent:
- d'une cuve de grande hauteur et de forme grossièrement cylindrique, revêtue
0 intérieurement de réfractaires, et dont la partie supérieure est connectée à une installation
d'aspiration des gaz capable de maintenir dans cette cuve une pression réduite, qui peut
descendre jusqu'à 1 torr ou moins lorsque le réacteur est en fonctionnement (on rappelle
que 1 torr~ 133 Paou 1,33.10-3 bar);
- de deux plongeurs tubulaires en matériau réfractaire, de section circulaire ou5 ovale, connectés à la cuve par leur extrémité supérieure; l'un de ces plongeurs est muni d'un
dispositif permettant d'insuffler un gaz dans son espace intérieur, habituellement de l'argon.
Ces installations sont utilisées comme suit. La poche contenant le métal liquide à
traiter est arnenée sous le RH, et les extrémités inférieures des plongeurs y sont immergées.
Après quoi, la cuve est mise sous vide, ce qui provoque l'aspiration dans la cuve d'une
20 certaine quantité de métal qui, pour cela, remonte par l'intérieur des plongeurs. La
dénivellation entre les surfaces du métal liquide dans la poche et dans la cuve est égale à la
hauteur ferrostatique correspondant à la différence de pression entre le milieu extérieur et
l'intérieur de la cuve. Enfin, l'insufflation de gaz dans le plongeur équipé à cet effet débute.
La fonction de cette insufflation est d'entraîner en direction de la cuve le métal qui se
25 trouve dans ce plongeur, appelé pour cette raison "plongeur ascendant". Le métal transitant
par la cuve redescend ensuite dans la poche en passant par l'autre plongeur, dit "plongeur
descendant". On obtient ainsi une circulation continue de métal entre la poche et la cuve.
Pendant toute la durée du traitement (soit généralement une dizaine à une trentaine de
min~ltes), une même portion de métal effectue donc plusieurs séjours à l'intérieur de la
30 cuve. Leur durée moyenne est fonction du débit de circulation du métal dans les plongeurs
et du rapport entre les capacités respectives de la cuve et de la poche (ce dernier est
généralement de l'ordre de 1/10 à 1/20). Le passage du métal liquide dans la cuve
maintenue sous vide permet principalement de diminuer ses teneurs en hydrogène dissous
et, dans une moindre mesure, en azote dissous. Les autres opérations métallurgiques
3s susceptibles de se produire dans la cuve sont:
- une décarburation partielle, par combinaison sous forme de CO du carbone avec
de l'oxygène déjà dissous dans le métal ou y étant insufflé à cet effet par une lance ou des
tuyères insérées dans la paroi de la cuve;
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- une addition d'éléments d'alliages qui est ainsi effectuée à l'abri de l'air et du
laitier de poche, donc avec un rendement optimal;
- un réchauffage du métal par aluminothermie: on lui ajoute de l'aluminium, puison y insuffle de l'oxygène, et l'oxydation de l'aluminium qui en résulte provoque ce
réchauffage.
Parallèlement, la circulation du métal entre la poche et la cuve provoque une
agitation douce du métal en poche, favorable à une bonne décantation des inclusions non-
métalliques.
On utilise également, quoique moins couramment aujourd'hui, des réacteurs du
0 type appelé "DH". Ils se distinguent des RH en ce que leur cuve n'est connectée qu'à un
seul plongeur, par lequel une partie du métal liquide contenu dans la poche est aspirée dans
la cuve pour y être soumise à la pression réduite. Le renouvellement du métal présent dans
la cuve est assuré de manière discontinue, soit par des interruptions temporaires de la mise
sous pression réduite de la cuve, ce qui a pour effet de renvoyer dans la poche le métal
liquide que renferme la cuve, soit par un éloignement de la poche par rapport à la cuve à
pression dans la cuve constante, qui entraîne également un tel renvoi de métal dans la
poche puisque la dénivellation entre les surfaces du métal dans la poche et dans la cuve
doit rester constante. Dans ces réacteurs DH, une insufflation de gaz n'est pas nécessaire;
elle est néanmoins très conseillée si on veut promouvoir de la manière la plus efficace les
20 réactions métallurgiques de dégazage et, éventuellement, de décarburatiori recherchées.
Les dernières années ont vu s'accroître la demande des industries consommatricesd'acier en produits sidérurgiques à teneur extrêmement basse en carbone (moins de 50
ppm), en particulier pour les tôles laminées à froid à hautes ductilité et résistance à la
traction, pour les aciers pour emboutissage profond et pour emballages, pour les aciers
25 inoxydables ferritiques au chrome-molybdène, etc. Le RH est vite apparu comme le
réacteur de métallurgie en poche le mieux adapté à l'obtention de tels aciers dans des
conditions industrielles. En effet, la cinétique de décarburation y est favorablement
influencée par l'insufflation massive de gaz qui est effectuée dans le plongeur ascendant,
voire également à l'intérieur de la cuve. Ainsi, pour une poche contenant 300 t d'acier
30 liquide, une cuve de RH en contenant 15 t, et un débit de circulation de 240 t/mn, un temps
de traitement de 10 minutes peut suffire à abaisser la teneur en carbone dans l'acier de 300
ppm à 20 ppm. Les installations dans lesquelles la poche d'acier est simplement placée
dans une enceinte sous pression réduite (installations dites de "vide en cuve"), ou coiffée
d'un couvercle en dessous duquel on maintient une pression réduite, ne sont pas aussi bien
35 adaptées à cet effet. On ne peut y insuffler de très grosses quantités de gaz pour accélérer la
cinétique de décarburation, et l'exposition au vide des réfractaires de la poche, qui
contiennent souvent des matières carbonées, accentue les recarburations du métal à partir
de ces réfractaires.
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Les DH, si on insuffle de l'argon dans le plongeur, sont également assez bien
adaptés à la production d'aciers à teneurs en carbone inférieure à 50 ppm.
L'accroissement de la demande en aciers d'une pureté de plus en plus poussée
rendra probablement, dans un très proche avenir, nécessaire de pouvoir obtenir
5 couramment des teneurs en carbone encore plus basses (5 à 10 ppm) avec une productivité
au moins équivalente à celle des installations actuelles (environ 10 t/mn dans les grandes
usines intégrées). Or, dans les RH et DH classiques, on constate un net ralentissement de la
décarburation lorsque la teneur en carbone moyenne de l'acier liquide devient inférieure à
30 ppm. Une accélération sensible de cette cinétique dans le domaine des très basses
0 teneurs en carbone permettrait d'obtenir les performances métallurgiques souhaitées dans
un temps toujours compatible avec une marche optimale des autres ateliers de l'aciérie.
Mais elle ne serait concevable qu'en augmentant considérablement la vitesse de circulation
du métal et les quantités de gaz insufflées dans les diverses zones du réacteur. Il en
résulterait un encrassement très rapide de l'intérieur de la cuve sous vide par les projections
5 de métal et une usure exagérément accélérée des réfractaires des plongeurs, donc des arrêts
plus fréquents et un fonctionnement moins fiable de l'installation. De plus, un
accroissement substantiel de la quantité de gaz insufflée obligerait à augmenter la capacité
de l'installation d'aspiration des gaz, qui est déjà considérable, sous peine de ne pouvoir
atteindre des pressions snffi.c:~mment basses. En définitive, l'obtention en marche
20 industrielle de teneurs en carbone sensiblement inférieures à 10 ppm dans des conditions
techniques et économiques satisf~ic~ntes paraît difficilement à la portée d'un RH ou d'un
DH de conception traditionnelle.
L'obtention d'une teneur en carbone aussi basse que possible dans l'acier liquide
est d'autant plus importante que, dans la suite des opérations d'élaboration et de coulée,
25 l'acier aura de multiples occasions de se recarburer, par exemple lors de la coulée en
continu au contact des réfractaires et des poudres de couverture du répartiteur et de la
lingotière.
Un autre inconvénient des réacteurs RH et DH de conception classique est que
leur étanchéité par rapport à l'atmosphère ambiante n'est pas toujours satisfaisante au
30 niveau des plongeurs (dont les réfractaires présentent une certaine porosité) et de leurs
connexions au fond de la cuve. Les aspirations d'air qui en résultent peuvent être estimées à
plusieurs centaines de Nm31h sur les installations industrielles de grandes dimensions. Elles
entraînent un apport non contrôlé d'oxygène et d'azote au métal liquide, ce qui rend plus
difficile le pilotage de la décarburation et limite l'ampleur de la dénitruration que l'on peut
35 réaliser. De plus, une part non négligeable de la capacité de l'installation d'aspiration est
consacrée à l'évacuation de ces gaz indésirables, alors qu'elle serait plus utilement
employée à l'évacuation de gaz résultant du dégazage et de la décarburation de l'acier
liquide, ou qui ont favorisé ce dégazage et cette décarburation.
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Il a déjà été proposé (document JP-A-58181818) de réaliser une connexion
étanche entre le rebord supérieur de la poche et un flasque solidaire de la cuve du RH. Une
insufflation de gaz mettant sous pression la surface de l'acier liquide en poche permet
d'augmenter le débit de recirculation du métal entre la poche et la cuve, ce qui améliore
5 l'efficacité du dégazage. Les aspirations d'air au niveau des plongeurs sont aussi évitées.
Toutefois ces modifications ne seraient pas suffi~ntes pour assurer une décarburation aussi
poussée et rapide qu'on pourrait le souhaiter.
Le but de l'invention est de proposer un nouveau type de réacteur métallurgique,qui, notamment, donne accès aux teneurs en carbone dans l'acier liquide de l'ordre de 10
o ppm et moins dans des conditions de productivité satisfaisantes. Ce réacteur devrait aussi
pouvoir être utilisé pour produire des aciers à faibles ou très faibles teneurs en azote ainsi
qu'en oxygène, tout comme les RH et DH de conception classique.
A cet effet, l'invention a pour objet un réacteur métallurgique de traitement sous
pression réduite d'un métal liquide, tel que de l'acier, contenu dans une poche, du type
5 comportant une cuve connectée à une installation d'aspiration des gaz pouvant y maintenir
une pression réduite et deux plongeurs tubulaires dont les extrémités supérieures
débouchent dans des orifices ménagés dans le fond de la cuve et dont les extrémités
inférieures peuvent être immergées dans ledit métal liquide contenu dans ladite poche, I'un
desdits plongeurs, dit "plongeur ascendant", comportant des moyens pour insuffler un gaz
20 dans son espace intérieur dans le but de créer un mouvement de circulation du métal
liquide entre la poche et la cuve pendant ledit traitement, caractérisé en ce qu'il comporte
également une enceinte munie de moyens d'insufflation d'un gaz dans son espace intérieur
adaptés à la création dans l'enceinte d'une pression supérieure à la pression atmosphérique,
et dans laquelle est placée la poche, le bord supérieur de ladite enceinte étant prévu pour
2s supporter de manière étanche le fond de la cuve pendant ledit traitement, et des moyens
pour soulever la poche en direction de la cuve pendant ledit traitement..
L'invention a également pour objet un réacteur métallurgique de traitement sous
pression réduite d'un métal liquide, tel que de l'acier, contenu dans une poche, du type
comportant une cuve connectée à une installation d'aspiration des gaz pouvant y maintenir
30 une pression réduite et un plongeur tubulaire dont l'extrémité supérieure débouche dans un
orifice ménagé dans le fond de la cuve et dont l'extrémité inférieure peut être immergée
dans ledit métal liquide contenu dans ladite poche, caractérisé en ce qu'il comporte
également une enceinte munie de moyens d'insufflation d'un gaz dans son espace intérieur
adaptés à la création dans l'enceinte d'une pression supérieure à la pression atmosphérique,
3s et dans laquelle est placée la poche, le bord supérieur de ladite enceinte étant prévu pour
supporter de manière étanche le fond de la cuve pendant ledit traitement, et des moyens
pour soulever la poche en direction de la cuve pendant ledit traitement.
Comme on l'aura compris, le réacteur métallurgique selon l'invention se distingue
des réacteurs traditionnels à cuve sous vide de type RH ou DH essentiellement en ce que la
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poche, au lieu d'être simplement à l'air libre, est placée dans une enceinte sur le bord
supérieur de laquelle on fait reposer, de manière étanche, le fond de la cuve sous vide.
L'enceinte est inertée par un gaz neutre qui la met sous une pression sensiblement
supérieure à la pression atmosphérique, de manière à provoquer la montée dans la cuve
5 sous vide d'une quantité maximale de métal liquide.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en
référence aux figures annexées suivantes:
- la figure 1 qui représente vue en coupe longitudinale, à titre de référence, une
installation de traitement sous vide de l'acier liquide du type RH, représentative de l'art
0 antérieur de l'invention;
- la figure 2 qui représente une installation de traitement sous vide de l'acierliquide selon l'invention; la figure 2a la montre vue de face en coupe longitudinale selon
IIa-IIa au stade initial du traitement; la figure 2b la montre de la même façon à un stade
ultérieur du traitement; la figure 2c la montre en vue de dessus partielle en section selon
5 IIc-IIc.
Dans l'in~t~ tion de traitement sous vide de type RH classique de la figure 1,
I'acier liquide 1 est contenu dans une poche 2 revêtue intérieurement d'une couche de
réfractaires 3 et exposée à la pression atmosphérique Patm. Une couche de laitier 4 surnage
à la surface de l'acier liquide 1 et l'isole de l'atmosphère ambiante. Le RH lui-même se
20 compose d'une cuve 5 revêtue intérieurement de réfractaires 6 et de deux plongeurs
tubulaires 7, 8 en matériau réfractaire, de forme généralement cylindrique, connectés au
fond 9 de la cuve 5. La cuve 5 est, à sa parti~ supérieure, connectée à une installation
d'aspiration des gaz 10, telle qu'une batterie d'éjecteurs à vapeur. Au début du traitement, la
cuve 5 est placée au dessus de la poche 1, et par un mouvement relatif de la cuve 5 et de la
25 poche 2, on amène les extrémités inférieures des plongeurs 7, 8 à tremper dans l'acier
liquide 1. Puis, à l'aide de l'installation d'aspiration 10, on instaure une pression réduite
PCuve à l'intérieur de la cuve 5, ce qui a pour effet d'y aspirer du métal liquide 1 à travers les
plongeurs 7, 8. On pratique ensuite une insufflation d'un gaz à l'intérieur de l'un des
plongeurs 7, au moyen d'une conduite 11 débouchant dans l'espace intérieur dudit plongeur
30 7. Ce gaz est, de préférence, un gaz neutre tel que de l'argon, insoluble dans l'acier liquide.
Son débit est en général de l'ordre de 4 à 12 litres par minute et par tonne d'acier à traiter. Il
crée un mouvement ascendant de circulation à l'intérieur du plongeur 7 (appelé pour cette
raison "plongeur ascendant"). Ce mouvement a pour effet de faire redescendre depuis la
cuve S dans la poche 2, à travers l'autre plongeur 8 (appelé "plongeur descendant"), une
35 quantité de métal liquide 1 équivalente à celle qui pénètre dans la cuve S par le plongeur
ascendant 7. On obtient ainsi une circulation continue de l'acier liquide 1 entre la poche 2 à
la pression atmosphérique Patm et la cuve 5 sous pression réduite PCuve~ dans laquelle l'acier
liquide subit les réactions métallurgiques désirées, notamment celles qui sont spécifiques
aux traitements sous vide. Ces réactions sont essentiellement:
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- une déshydrogénation, relativement facile car sa cinétique est favorable;
- une dénitruration, dont l'ampleur est généralement limitée, du fait d'une cinétique
peu favorable et étroitement dépendante de la composition du métal: la dénitruration est
d'autant plus lente que les teneurs de l'acier en oxygène dissous et en soufre sont plus
élevées; le balayage de l'acier liquide par l'argon qui le traverse, et éventuellement par
l'hydrogène qui s'en dégage, favorise, au contraire, la dénitruration;
- une décarburation, qui n'a lieu que si la teneur du bain en éléments désoxydants
forts (aluminium, silicium, m~ng~nese) et la pression partielle de CO dans la cuve 5 sont
suffi~mment faibles pour que l'oxygène dissous contenu dans l'acier liquide 1 présent dans
0 la cuve 5 puisse se combiner au carbone, selon des lois thermodynamiques connues; la
cinétique de cette décarburation, lorsqu'elle est possible, est également favorisée par le
balayage dû à l'argon et le dégagement de l'hydrogène.
La dénivellation ~h entre les surfaces des bains d'acier liquide 1 dans la poche 2 et
dans la cuve S est fonction de la différence (Pa~m - PCuve) selon l'équation:
~h = (Patm-- PCUve)
P-g
où p est la masse volumique de l'acier liquide (environ 6900 kg/m3 pour une température
de 1600~C) et g l'accélération de la pesanteur (9,81 m/s2). Si, comme c'est généralement le
cas, on maintient dans la cuve 5 une pression d'environ 1 torr (soit 133 Pa ou 1,33.10-3 bar),
la dénivellation ~h est de l'ordre de 1,S m.
De préférence, la cuve S est équipée de moyens d'insufflation d'argon dans l'acier
liquide 1 qu'elle renferme, tels que des tuyères pariétales 12 (on n'en a représenté qu'une,
mais il peut y en avoir plusieurs) ou des lances immergées. Cet argon insufflé, dont le débit
est généralement du même ordre de grandeur que le débit insufflé dans le plongeur
ascendant 7 ou même un peu supérieur, accélère le dégazage et aussi la réaction de
2s décarburation. Cela est dû à un effet de balayage des gaz présents ou formés dans le bain
liquide 1, et également à la création de projections d'acier liquide 13 sous forme de fines
gouttelettes. Ces gouttelettes 13 offrent une grande surface spécifique d'exposition à
l'atmosphère raréfiée de la cuve S, ce qui va aussi dans le sens d'une accélération de la
décarburation. L'argon insufflé dans le plongeur ascendant 7 a un semblable effet de
30 création de projections 13 dans la cuve 5. L'argon insufflé dans la poche 2 par le bouchon
poreux 14 pour homogénéiser l'acier liquide 1 qu'elle renferme peut également y contribuer
si le bouchon poreux 14 est placé à l'aplomb du plongeur ascendant 7. On peut également
prévoir la possibilité d'insuffler de l'oxygène dans l'acier liquide 1 présent dans la cuve 5,
au moyen d'un lance émergée 15 ou de tuyères pariétales, afin si nécessaire d'augmenter sa
35 teneur en oxygène dissous pour accentuer la décarburation au début du traitement. Une
insufflation d'oxygène peut également être utilisée à certaines étapes du traitement pour
réchauffer le métal liquide 1 par aluminothermie.
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les porosités des réfractaires constituant les plongeurs 7, 8, et aussi à travers les joints
séparant le fond 9 de la cuve 5 et les extrémités supérieures des plongeurs 7, 8 si leur
étanchéité n'est pas parfaite. D'une part, cette aspiration d'air entraîne une pollution du
métal liquide 1 par de l'azote et de l'oxygène, ce qui diminue les performances de
I'installation pour la dénitruration et la propreté inclusionnaire, surtout si le métal est déjà
désoxydé. D'autre part, les gaz aspirés doivent ensuite être évacués par l'installation
d'aspiration 10. Celle-ci doit donc consacrer une part non négligeable de sa capacité
d'aspiration à l'évacuation de ces gaz indésirés. Cette capacité d'aspiration serait plus
utilement employée à l'évacuation d'une plus grande quantité de gaz favorisant la cinétique
o de décarburation, comme l'argon insufflé par la conduite 11 et les tuyères 12. De même, en
l'absence de ces entrées d'air, on pourrait choisir de conserver la même quantité d'argon
insufflée, mais d'obtenir une pression PCuve plus faible, également favorable à un dégazage
et une décarburation poussés. Enfin, la quantité d'argon que l'on peut insuffler dans la cuve
5 est limitée par l'intensité des projections 13 qu'elle peut tolérer: il ne faut pas que ces
projections 13 conduisent à un encrassement trop rapide des parois internes de la cuve 5
par création d'une couche 16 de métal solidifié
L'in~t~ tion du type selon l'invention, dont un exemple est représenté sur la
figure 2, a en commun avec la précédente la présence d'une poche 2 renfermant l'acier
liquide 1 à traiter, et équipée d'un bouchon poreux 14. Selon l'invention, pendant le
traitement sous vide la poche 2 n'est pas exposée à l'air libre mais mise dans une enceinte
verticale 17 dont, dans l'exemple représenté, la hauteur excède sensiblement celle de la
poche 2. La poche 2 n'est pas posée directement sur le fond de l'enceinte 17, mais sur la
plate-forme 18 d'un dispositif élévateur 19. L'enceinte 17 comporte des moyens 20 pour y
insuffler de grandes quantités d'un gaz d'inertage tel que de l'argon. Préférentiellement, à
I'intérieur de l'enceinte 17 se trouve au moins une trémie 21 renfermant des éléments
d'addition que l'on peut souhaiter ajouter à l'acier liquide 1 lors de son traitement, ou des
matières minérales pouvant constituer un laitier synthétique destiné à recouvrir la surface
de l'acier liquide 1 présent dans la poche 2. Une goulotte escamotable 22 permet de réaliser
ces apports de matières dans la poche 2, au moins quand celle-ci est en position basse. Le
bord supérieur de l'enceinte 17 est constitué par un large rebord horizontal 23, comportant
sur sa face supérieure un joint d'étanchéité 24.
L'in.ct~ tion selon l'invention comporte également une cuve 25, à l'intérieur delaquelle est effectué le traitement sous vide de l'acier liquide 1. Dans son principe général,
cette cuve 25 est semblable à la cuve 5 du RH classique de la figure 1. Elle comporte deux
plongeurs 26, 27 connectés au fond 28 de la cuve 25: un plongeur ascendant 26,
comportant une conduite 29 permettant d'amener de l'argon dans son espace intérieur, et un
plongeur descendant 27 par lequel l'acier liquide retourne dans la poche 2 après avoir
transité par l'espace intérieur de la cuve 25. Une installation d'aspiration 30 permet de
maintenir une pression PCuve de l'ordre d'environ 1 torr à l'intérieur de la cuve 25. La cuve
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transité par l'espace intérieur de la cuve 25. Une inct~ tion d'aspiration 30 permet de
m~ el~ir une pression PCUVC de l'ordre d'environ 1 torr à l'intérieur de la cuve 25. La cuve
25 est équipée, sur sa paroi latérale, de tuyères pariétales 31 pour l'incllffl~tion d'argon,
voire également d'une lance 32 pour l'incllffl~tion d'oxygène. A la place ou en plus de ces
tuyères pariétales 31 et de cette lance 32, on peut avantageusement disposer des tuyères 33
d'in.c-lM~tion d'argon et/ou d'oxygène dans le fond 28 de la cuve 25; ainsi, à un instant
donné, la plus grande partie du métal liquide 1 présent dans la cuve 25 peut être
directement soumise à l'action de ces gaz, et pas seulement le métal liquide 1 qui serait
situé à l'aplomb du plongeur ascendant 26 ou à proximité de la paroi latérale de la cuve 25.
0 En début de traitement (cas de la figure 2a), la cuve 25 est amenée au dessus de
l'enceinte 17, et on la laisse reposer de tout son poids sur le rebord 23, de manière à obtenir
une excellente étanchéité sur tout le pourtour du rebord 23, grâce au joint 24. La longueur
des plongeurs 26, 27 est choisie de telle manière qu'à ce stade du traitement où l'élévateur
19 sur lequel repose la poche 2 est en position basse, leurs extrémités inférieures ne
S plongent pas ou faiblement (comme montré sur la figure 2a) dans l'acier liquide 1 contenu
dans la poche 2. Après la mise en place de la cuve 25, on commence à incumer
massivement de l'argon à l'intérieur de l'enceinte 17 grâce aux moyens 20 prévus à cet
effet, afin de rendre l'atmosphère de l'enceinte 17 non polluante pour le métal liquide 1.
Une fois cette condition réalisée, on soulève la poche 2 au moyen du dispositif
20 élévateur 19 de manière à faire tremper plus profondément les plongeurs 26, 27 dans l'acier
liquide 1, et cimlllt~nément on abaisse la pression dans la cuve 25 pour y aspirer de l'acier
liquide 1 à partir de la poche 2. L'élévation de la poche 2 se poursuit, de prefclellce jusqu'à
ce que les t;,~lle~ és inférieures des plongeurs 26, 27 soient proches du fond de la poche 2.
Enfin on démarre la circulation du métal liquide entre la poche 2 et la cuve 25 grâce à une
25 in.cllffl~tion d'argon dans le plongeur ~ccentl~nt 26 au moyen de la conduite 29
L'alimentation de cette conduite 29 doit de préférence, pour plus de commodité, demeurer
externe à l'enceinte 17. A cet effet, on peut, comme représenté, faire traverser à la conduite
29 le fond 28 de la cuve 25 pour la faire déboucher à l'extérieur de l'inct~ tion.
D'autre part, on insuffle dans l'enceinte 17 une quantité d'argon telle qu'elle y crée
30 une pression PenCejn,e significativement supérieure à la pression atmosphérique, par exemple
de 2 à 3 bar (soit 2.105 à 3.105 Pa). Outre que cette surpression garantit que l'air ne peut
pénétrer à l'intérieur de l'enceinte 17 pendant le traitement, elle présente le très important
avantage d'augmenter la dénivellation ~h entre les surfaces des bains d'acier liquide 1
présents dans la poche 2 et dans la cuve 25. ~h est calculée au moyen de la formule:
~h = (Penceinte-- Pcuve )
P-g
Toujours pour une pression de 1 torr (soit 133 Pa) dans la cuve 25, une pressionde 2 bar dans l'enceinte 17 (soit 2.105 Pa) crée une dénivellation ~h de 2,95 m, et une
pression de 3 bar une dénivellation de 4,43 m. On se donne ainsi la possibilité de faire
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une dénivellation ~h importante, à un instant donné, il ne subsiste dans la poche 2 que la
moitié environ de l'acier liquide 1 qui y était initialement présent. L'autre moitié, qui
circule entre la poche 2 et la cuve 25, se trouve soit à l'intérieur des plongeurs 26, 27, soit,
surtout, à l'intérieur de la cuve 25 où elle est soumise à la pression réduite qui provoque
s son dégazage et, si sa composition s'y prête, sa décarburation.
Par rapport aux RH classiques, la cuve 25 de l'installation selon l'invention peut
avoir une capacité très sensiblement plus grande. En effet, le diamètre de son fond 28 doit
être au moins suffisant pour que la cuve 25 repose sur le rebord 23 de l'enceinte 17, ce qui
implique que ce diamètre soit sensiblement supérieur à celui de la poche 2 (à moins qu'on
0 ne prolonge latéralement le fond 28 par une collerette, et que ce soit cette collerette qui
repose sur le rebord 23 de l'enceinte 17; mais alors on se prive des avantages particuliers
liés à un diamètre élevé de la cuve 25 qui seront vus plus loin). De préférence, une cloison
en réfractaire 34, disposée entre les orifices 35, 36 par lesquels le métal liquide arrive dans
la cuve 25 et en repart, barre le fond de l'espace intérieur de la cuve 25 pour éviter qu'une
s portion importante du métal liquide 1 qui pénètre dans la cuve 25 par le plongeur ascendant
26 ne passe ensuite directement dans le plongeur descendant 27 après n'avoir séjourné
qu'un bref instant dans la cuve 25. On réduit ainsi la dispersion des temps de séjour dans la
cuve 25 des différentes portions du métal liquide 1. Cette cloison 34 peut, comme
représenté, avoir une hauteur relativement faible, et permettre ainsi à l'acier liquide 1 de la
20 franchir par débordement lorsqu'il a atteint son niveau nominal. Elle peut aussi etre
sllffi~mment haute pour partager la cuve 25 en deux compartiments ne communicant entre
eux que par des espaces libres ménagés entre la cloison 34 et la paroi interne de la cuve 25,
et/ou des perforations ménagées dans la cloison 34. Comme représenté sur la figure 2c, de
tels espaces libres 37, 38 et/ou perforations peuvent également exister dans le cas où la
2s cloison 34 a une faible hauteur.
Si on vise à ne laisser dans la poche 2 qu'une faible quantité d'acier liquide 1lorsque l'installation est en fonctionnement, le courant de circulation de l'acier liquide 1
dans la poche 2 y provoque une agitation très intense. Il n'est donc pas souhaitable que du
laitier se trouve à la surface de l'acier liquide dans la poche 2 pendant le traitement, car ce
30 laitier serait inévitablement entraîné au sein de l'acier liquide et détériorerait sa propreté
inclusionnaire. Indépendamment de cela, le laitier peut se déposer sur les parois de la
poche lors de la descente du niveau de métal en poche. Pour ces raisons, il est très conseillé
que le laitier soit entièrement ôté avant que la poche ne soit mise dans l'enceinte 17. Une
fois que le traitement sous vide est terminé, I'installation est remise dans sa configuration
3s initiale telle que représentée sur la figure 2a. Mais avant de relever la cuve 25 pour remettre
la poche 2 à l'air libre afin de la transférer, par exemple, vers l'installation de coulée, il est
préférable de reconstituer à la surface de l'acier liquide 1 une couche de laitier synthétique
afin de protéger immédiatement le métal des réoxydations et renitrurations atmosphériques
et de limiter ses pertes thermiques par rayonnement, lors des étapes ultérieures
.
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d'élaboration et de coulée. Cette couche de laitier synthétique peut être ajoutée, comme on
l'a dit, à l'aide de la trémie 21 et de la goulotte 22. Si des additions d'éléments d'alliage
doivent être effectuées au sein de l'acier liquide 1 pendant le traitement, elles peuvent l'être
grâce à cette même trémie ou d'autres similaires, de préférence à un moment où une
5 quantité d'acier liquide 1 relativement importante se trouve dans la poche 2. En variante, on
peut aussi réaliser ces additions d'éléments d'alliage dans la cuve 25 elle-même, si elle est
équipée de dispositifs à cet effet, comme c'est généralement le cas des cuves de RH
classiques 5. On peut aussi disposer les trémies à l'extérieur de l'enceinte 17, en les
associant à des moyens de transport des matières traversant la paroi de l'enceinte 17. Une
0 telle disposition a pour avantage de réduire le volume intérieur nécessaire de l'enceinte 17,
donc de ~liminuer la quantité de gaz qu'il est nécessaire d'y insuffler pour l'inerter ou la
mettre sous pression.
Comme il est déjà connu, pendant une partie du traitement on peut également
insuffler de l'hydrogène dans l'acier liquide 1, que ce soit dans la poche 2, le plongeur
5 ascendant 26 ou la cuve 25 à la place d'une partie ou de la totalité de l'argon destiné à agiter
le métal liquide 1 et à accélérer la cinétique de décarburation, ou en plus de cet argon.
L'insufflation d'hydrogène dans la poche 2 par le bouchon poreux 14 est particulièrement
avantageuse si on maintient une surpression dans l'enceinte 17: cette surpression augmente
la quantité d'hydrogène qui peut être dissoute dans l'acier liquide 1 avant son passage dans
20 la cuve 25, donc l'efficacité de l'insufflation d'hydrogène. On peut aussi envisager de
mélanger de l'hydrogène à l'argon d'inertage/surpression de l'enceinte 17, voire même de
réaliser temporairement cet inertage/surpression exclusivement à l'hydrogène. Sachant que
l'hydrogène est un élément indésirable dans l'acier liquide au moment de sa coulée,
I'introduction d'hydrogène dans l'installation devra être interrompue avant la fin du
25 traitement sous vide, afin de donner à l'in~t~ tion le temps de ramener la teneur en
hydrogène de l'acier liquide 1 à un niveau acceptable, lors de la phase finale du traitement.
Le premier avantage de l'installation selon l'invention par rapport aux RH
classiques est de rendre sans conséquences les défauts d'étanchéité que l'on peut constater
habituellement au niveau des plongeurs et de leurs connexions à la cuve. Si de tels défauts
30 existent sur l'installation selon l'invention, ils se traduisent seulement par l'aspiration d'une
partie de l'argon d'inertage présent dans l'enceinte 17, et non par l'aspiration d'air. Il n'y a
donc pas de pollution en oxygène et en azote du métal liquide 1 par de l'air atmosphérique.
De plus, comme on l'a dit, l'installation d'aspiration 30 peut être utilisée au mieux de ses
capacités, puisque tous les gaz qu'elle extrait de la cuve 25 soit résultent du dégazage de
35 l'acier liquide 1, soit ont contribué à accélérer ce dégazage. Cet avantage ne peut qu'être
accru si, de plus, on maintient l'enceinte 17 sous une pression de gaz d'inertage élevée.
D'autre part, on a établi depuis peu que la différence de niveau entre le lieu
d'injection d'argon dans le plongeur ascendant et le fond 28 de la cuve 25 est un paramètre
particulièrement important pour le débit de circulation du métal liquide 1 entre la poche et
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la cuve. Ce débit est d'autant plus important que ladite différence de niveau est grande.
L'installation selon l'invention, lorsqu'elle est équipée de plongeurs 26, 27 de grande
longueur, dont les extrémités inférieures peuvent être placées très près du fond de la poche
2 et dont le point d'injection d'argon dans le plongeur ascendant 26 est situé très bas,
5 permet d'optimiser ce paramètre. Par rapport à un RH classique que l'installation selon
l'invention remplacerait, on peut choisir de conserver le même débit d'argon insufflé dans
le plongeur ascendant 26, et augmenter ainsi le débit de circulation du métal liquide 1. On
peut aussi choisir de conserver le même débit de circulation du métal liquide I en
diminuant le débit d'argon insufflé, ce qui permet de diminuer l'usure des réfractaires du
0 plongeur ascendant 26.
L'autre avantage important de l'installation est particulièrement sensible si onmaintient une forte surpression dans l'enceinte 17 et si les extrémités inférieures des
plongeurs 26, 27 peuvent être maintenues à proximité du fond de la poche 2 pendant le
traitement. Il s'agit de la possibilité qu'à un instant donné du traitement sous vide, une très
grande partie du métal liquide 1 (par exemple la moitié) se trouve dans la cuve 25 et dans
le plongeur ascendant 26, donc soit soumise à la pression réduite et à l'intense balayage
gazeux qui favorisent les réactions de dégazage et de décarburation. Par rapport à un RH
classique qui traiterait des poches 2 identiques et dont la cuve ne pourrait renfermer que
1/10 à 1/20 de l'acier liquide 1 à traiter, I'installation selon l'invention permet d'augmenter
20 très sensiblement le temps de séjour moyen d'une portion donnée du métal liquide 1 dans la
cuve 25, sans augmenter la durée totale du traitement. Les réactions métallurgiques liées au
séjour du métal liquide dans la cuve 25 sous pression réduite peuvent donc être effectuées
de façon plus poussée.
D'autre part, la nécessité d'avoir une cuve 25 de relativement fort diamètre, de2s manière à obturer totalement l'enceinte 17, a pour corollaire de procurer à l'acier liquide 1
présent dans la cuve 25 une grande surface spécifique d'exposition à la pression réduite. De
plus, on a la possibilité de multiplier les points d'insufflation d'argon à l'intérieur de la cuve
25, notamment à travers son fond 28. On peut ainsi créer pratiquement dans toute la cuve
25 d'intenses projections de gouttelettes de métal. Enfin, on peut choisir d'effectuer cette
30 insufflation d'argon de manière privilégiée dans des zones relativement éloignées de la
paroi interne de la cuve 25, afin d'éviter autant que possible que les projections 13 de métal
liquide ne viennent encrasser trop vite ladite paroi en formant une couche de métal solidifié
16. Si la puissance de l'installation d'aspiration 30 le permet, on peut ainsi augmenter
sensiblement la quantité d'argon insufflée dans la cuve sous vide par rapport à un RH
35 classique sans pour autant accélérer de manière intolérable l'encrassement des parois. Tous
ces facteurs contribuent à augmenter la surface réactionnelle de l'acier liquide 1 dans la
cuve 25, ce qui est très favorable aux réactions de dégazage et de décarburation qui y sont
recherchées, particulièrement lorsqu'on a déjà atteint des teneurs extrêmement basses en
hydrogène, azote ou carbone. On peut ainsi atteindre des teneurs en carbone et en azote
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dans le métal liquide extrêmement basses en conservant la productivité habituelle des RH.
Il est même possible d'obtenir des conditions cinétiques permettant une véritable
désoxydation par le carbone sous vide, de manière à parvenir simultanément à de très
basses teneurs en carbone et en oxygène. Cela facilite considérablement la dénitruration,
qui n'est plus gênée par l'oxygène dissous.
Si on confère aux plongeurs 26, 27 une longueur telle que leurs extrémités
inférieures avoisinent le fond de la poche 2 lorsque l'installation est en service, l'élévateur
19 et sa plate-forme 18 permettent de maîtriser les positions relatives de la poche 2 et de la
cuve 25, comme on l'a précédemment décrit. L'absence de l'élévateur 19 obligerait, lors de
0 la mise en place de la cuve 25, à immerger immédiatement les plongeurs 26, 27 dans l'acier
liquide 1 sur pratiquement toute leur hauteur, et le volume d'acier liquide 1 qu'ils
déplaceraient provoquerait un débordement de la poche 2 si elle était utilisée à sa capacité
nominale.
Par rapport au document JP-A-58181818 où la cuve du RH a une configuration
classique, placer la poche dans une enceinte et pouvoir régler la profondeur d'immersion
des plongeurs 26, 27 lorsque l'installation est en service perrnet d'augmenter
considérablement le diamètre et la capacité de la cuve 25, et donc le débit de recirculation.
Les ultra-basses teneurs en carbone sont ainsi plus aisément accessibles.
On va donner à présent deux exemples de dimensionnement d'une installation
20 selon l'invention. Ils sont applicables au cas où on veut traiter une poche 2 refermant 245 t
d'acier liquide 1 et ayant un diamètre intérieur moyen de 3,5 m, ce qui correspond à une
surface d'environ 10 m2 et une hauteur de métal de 3,5 m environ. Dans les deux exemples,
on vise à apporter dans la cuve 25 mise sous vide une quantité de métal telle qu'elle y crée
un bain d'une profondeur de 0,5 m. Le débit d'argon insufflé dans le plongeur ascendant 26
2s est comparable à ce qui se pratique dans le cas d'un traitement RH classique appliqué à la
même poche, soit environ 2,4 Nm3/mn. Il assure une vitesse de circulation de métal dans
les plongeurs 26, 27 d'environ 120 t/mn.
Dans un premier exemple, on dispose d'une cuve 25 dont le diamètre intérieur estde 4,4 m (ce qui correspond à une surface de 15 m2) et de plongeurs de longueur 2,45 m et
30 de diamètre intérieur 0,7 m. Dans ces conditions, pour une pression de l'ordre de I torr
(133 Pa) dans la cuve 25, il faut créer une différence de pression (Penceinte - Pcuve) de 2 bar
(soit 2.105 Pa) pour obtenir la dénivellation ~h de 2,95 m nécessaire à l'obtention de la
profondeur de bain visée de 0,5 m dans la cuve 25. Elle correspond à une quantité de métal
1 présente dans la cuve 25 et les plongeurs 26, 27 de 65,5 t.
3s Dans un deuxième exemple, on dispose d'une cuve 25 dont le diamètre intérieur
est de 6,2 m (ce qui correspond à une surface de 30 m2) et de plongeurs de longueur 3,26 m
et de diamètre intérieur 0,7 m. Dans ces conditions, pour une pression de l'ordre de 1 torr
(133 Pa) dans la cuve 25, il faut créer une différence de pression (Penceinte- PCuve) de 2,55
bar (soit 2,55.105 Pa) pour obtenir la dénivellation ~h de 3,76 m nécessaire à l'obtention de
.
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la profondeur de bain visée de 0,5 m dans la cuve 25. Elle correspond à une quantité de
métal 1 présente dans la cuve 25 et les plongeurs 26, 27 de 121,5 t.
Dans ces deux exemples, on peut insuffler à l'intérieur du métal 1 se trouvant dans
la cuve 25, au moyen des tuyères 31, 33, une quantité totale d'argon d'environ 20000 Nl/mn
(à comparer au débit de l'ordre de S000 Nl/mn que pourrait tolérer un RH classique sans
que ne s'y produisent des projections de métal excessives sur les parois de la cuve).
Une variante de l'invention consiste à prévoir un réacteur métallurgique similaire
au précédent, mais qui ne comporterait qu'un seul plongeur connecté à la cuve. Il
ressemblerait donc à un réacteur de type DH. La circulation continue du métal liquide entre
o la poche et la cuve n'étant pas possible dans ces conditions (sauf, de manière limitée, par
des mouvements de convection naturelle, suite au refroidissement subi par le métal dans la
cuve), il faut donc:
- soit calculer la géométrie de l'installation pour que la quasi-totalité du métal
initialement présent dans la poche se retrouve dans la cuve lors du traitement, de manière à
limiter autant que possible la quantité de métal qui ne sera pas significativement soumise
au traitement sous vide;
- soit assurer le renouvellement du métal dans la cuve, par des réductions
périodiques de la différence de pression (PenCejn,e - PCuve)~ ou par des éloignements
périodiques de la poche et de la cuve à l'aide du dispositif élévateur de la poche.
Si une décarburation très poussée du métal est recherchée, une insufflation d'argon
dans le plongeur est très vivement conseillée, comme dans le cas des DH classiques.
Une installation selon l'invention s'insère dans une chaîne d'élaboration
simplement en se substituant à une installation de traitement sous vide de type RH ou DH
classique ou vide en cuve, sans nécessiter de modifier l'organisation de l'aciérie et le
2s schéma d'élaboration général en vigueur pour les nuances d'acier à ultra-basses teneurs en
carbone. Enfin, elle peut également, tout comme les RH classiques, traiter avec profit
d'autres nuances que les aciers à ultra-basses teneurs en carbone. Elles bénéficieront de
l'absence de pollution du métal par de l'air aspiré, ainsi que de l'augmentation du temps
moyen d'exposition à la pression réduite et au balayage gazeux pour une durée de30 traitement donnée. Cela permettra notamment soit d'obtenir des déshydrogénations,
dénitrurations et désoxydations par le carbone plus poussées qu'au moyen d'un RHclassique, soit, à performances métallurgiques égales, de diminuer le temps de traitement
de l'acier liquide.
Il va de soi que l'installation qui a été décrite peut être utilisée pour le traitement
35 sous vide d'autres métaux que l'acier liquide.
