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Traitement pour améliorer la coulabilité
des aciers calmés à l'aluminium coulés en continu.
La présente invention a trait à la coulée continue de l'acier. Elle concerne
plus
particulièrement la prévention des bouchages de la busette de coulée lors de
la coulée
de brames, ou de bandes, d'acier calmé, notamment d'acier à bas ou ultra bas
carbone
(aciers dits UBC ou IFS).
On sait que la coulée continue de demi-produits à large section droite
(brames,
brames minces, bandes...) impose classiquement l'usage d'une busette immergée
pour
lo l'alimentation en métal en fusion de la lingotière de coulée depuis le
répartiteur placé
au-dessus.
On sait aussi que ces busettes sont sujettes à engraissement conduisant, à
plus
ou moins long terme, à leur bouchage total et, par conséquent, à l'arrêt
immédiat de la
coulée en cours.
On rappelle que l'engraissement est un phénomène de rétrécissement progressif,
depuis la périphérie vers le centre, du conduit qu'offre la busette au métal
liquide pour
son passage en lingotière. L'origine de ce phénomène est le dépôt sur la paroi
intérieure
de la busette de particules solides, que sont les inclusions non métalliques
de
désoxydation du métal liquide. Ces inclusions sont déjà présentes au sein du
bain
métallique suite aux traitements métallurgiques subits précédemment par celui-
ci, ou se
forment lors de la traversée même de la busette, si celle-ci n'est pas
suffisamment
étanche à l'égard de l'oxygène de l'atmosphère ambiante. Selon les nuances
d'acier
coulées, ces inclusions non métalliques sont plus ou moins nombreuses, plus ou
moins
volumineuses, plus ou moins solidifiées à la température du métal en fusion.
Il est connu que des difficultés sérieuses de coulabilité à cet égard peuvent
se
rencontrer particulièrement dans le cas de la coulée d'aciers bas ou ultra bas
carbone
(du type IFS par exemple), donc sur des aciers fortement calmés.
Le calmage de ce type d'aciers s'opère classiquement en poche d'affinage par
ajout d'aluminium, désoxydant couramment utilisé en sidérurgie. La réaction de
désoxydation produit des aluminates qui décantent majoritairement à la surface
du bain
métallique, en poche d'abord, dans le répartiteur ensuite. Néanmoins, une
partie de ces
inclusions non métalliques restent inévitablement en suspension au sein de la
masse
métallique liquide au moment de la coulée. Ce sont en particulier ces
particules qui,
lors de leur transit dans la busette, s'accrochent à la paroi du tube et, par
phénomène
d'accrétion au cours du temps, finissent par obturer le passage.
Il est connu de lutter contreces bouchages en faisant passer un courant de gaz
inerte de balayage (de l'argon notamment) dans la busette. Le, ou plus
vraisemblablement, les mécanismes par lesquels un tel balayage gazeux lutte
contre
l'engraissement ne sont pas encore parfaitement élucidés, mais le résultat est
généràlement plutôt satisfaisant si le bullage est mis en place dès le début
de la
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séquence de coulée. Sinon des amas inclusionnaires peuvent se détacher et
venir
dramatiquement polluer le métal, faisant de cette pratique un remède alors
pire que le
mal.
Toutefois, la méthode, même correctement menée, n'est pas sans effets
secondaires indésirables. Des défauts de type "boursouflures" sur bandes au
cours de
laminage ultérieur peuvent apparaître, dont on sait qu'ils résultent d'un
phénomène
d'emprisonnement de bulles de gaz dans le métal solidifié en lingotière.
Il est également connu de lutter contre les bouchages de la busette au moyen
de
mesures préventives, dont l'intérêt premier est de pouvoir se passer du
"bullage argon".
lo L'une d'entre elles consiste à ajouter au bain métallique avant coulée,
donc dans le
répartiteur, ou de préférence déjà en poche d'affinage, un fondant, tel que du
Ca (par
exemple sous forme de Si-Ca ou de Ca-Fe) qui va complexer avec les aluminates
de
désoxydation pour former des inclusions plus fusibles, qui resteront donc en
principe à
l'état liquide à la température de coulée. Un traitement préventif de ce type
par ajout de
calcium est décrit par exemple dans le document EP-A-O 512 118, dont on
considérera
l'enseignement général comme incorporé au présent mémoire par référence.
Cependant, ce type de traitement chimique du bouchage ne donne pas toujours
les résultats escomptés. Il se trouve parfois, en effet, que les inclusions
formées même
en présence de calcium sont à l'état solide déjà dans le répartiteur, et ce
même en cas
2o de coulée avec surchauffe importante du métal.
Le but de l'invention est précisément d'aboutir à une meilleure fluidité des
inclusions de désoxydation que l'on a formées par traitement au calcium du
bain
métallique avant coulée.
A cet effet, l'invention a pour objet un traitement métallurgique en poche
d'un
acier devant être coulé en continu, selon lequel, à un bain d'acier en fusion
ultra bas ou
bas carbone, calmé à l'aluminium (ou en cours de calmage) pour atteindre une
teneur
donnée en oxygène, on ajoute du calcium afin de former des inclusions de
désoxydation
à point de fusion inférieur à la température de coulée de l'acier en
lingotière, caractérisé
en ce que, dans la chaîne de traitement qui va de la poche à la lingotière de
coulée, on
maintient le bain métallique à une teneur en magnésium dissous voisine de 2
ppm au
moins, sans excéder la teneur, dépendant de celle en oxygène du bain, au-delà
de
laquelle des spinelles solides à base de magnésium peuvent se former.
Comme on l'aura compris, à la base de l'invention se trouve la découverte de
l'action bénéfique du magnésium en faible quantité sur le maintien en phase
liquide des
inclusions de désoxydation présentes après calmage ou formées pendant la
coulée en
présence de calcium. On a pu observer en effet que la présence de magnésium en
faible
quantité au sein d'un bain métallique traité au calcium (à savoir de l'ordre
de 2 ppm de
Mg au moins,et pouvant aller jusqu'à 8-10 ppm pour les teneurs d'oxygène que
l'on
rencontre habituellement dans les aciers bas ou très bas carbone calmés
aluminium)
influait sur la nature physique de la population inclusionnaire de l'acier
coulé: l'élément
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magnésium élargit notablement le domaine d'existence des aluminates de chaux
liquides à la température de coulée de l'acier (1520-1570 C environ). Il doit
être
souligné également la grande sensibilité d'un tel élargissement à la présence
du
magnésium même en très faibles quantités, une faible variation d'une très
basse teneur
en Mg (variation de moins de 1 ppm) pouvant entraîner comme on le verra un
élargissement conséquent de la plage de fusibilité.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects apparaîtront au vu de la
description qui suit, donnée à titre d'exemple en référence à la planche de
dessins
unique annexée sur laquelle:
- la figure 1 est un diagramme de phases montrant les domaines de
précipitation
inclusionnaire à 1 560 C (température de coulée) dans une nuance d'acier Ultra
Bas
Carbone en fonction de la teneur en calcium, mise en ordonnées, et en oxygène
total
(dissous et lié) mise en abscisses, et ce en l'absence de magnésium, autrement
qu'à
l'état de traces (inférieur à 0. 1 ppm).
- la figure 2 est un diagramme analogue à celui de la figure 1 montrant la
même
situation, mais en présence d'une teneur en magnésium du bain métallique à
hauteur
de 2 ppm.
(Ces deux diagranimes sont enrichis de symboles représentatifs de séquences de
coulée pour lesquelles des bouchages ont eu lieu (symboles pleins) ou n'ont
pas eu
lieu (symboles vides));
- la figure 3 est un graphique montrant l'évolution de la teneur maximale
permise en
magnésium dissous dans le bain d'acier en fusion en fonction de la teneur de
ce
dernier en oxygène total (dissous et lié), sachant que la teneur en calcium
considérée
correspond à la valeur minimale requise pour avoir des oxydes liquides sans
addition
de magnésium.
L'acier UBC considéré ici a la composition pondérale suivante, donnée en
millièmes de %, sauf pour l'Azote (N) qui est donnée en ppm:
C Mn P S Al Si Ti Cr Ni N
< 5 90-140 5-15 3-10 35-50 10-35 65-75 15-30 20 25-45
ppm
Ce bain d'acier, issu d'un convertisseur à l'oxygène par exemple, subit
d'abord
un traitement de décarburation "sous vide" dans une station d'affinage (four-
poche de
mise à la nuance équipé d'une installation de mise sous dépression, ou dans
une unité
RH). Puis, le bain métallique est calmé par addition d'aluminium. Cet élément
est
apporté en quantité suffisante pour atteindre les teneurs résiduelles voulues
en oxygène
total du bain, à savoir, compte tenu du temps nécessaire à la décantation des
inclusions
d'alumines, de l'ordre de 20 à 30 ppm d'oxygène total (dissous et lié) au
niveau du
répartiteur, donc juste avant la coulée.
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Dans le même temps, ou juste après l'apport d'aluminium, un ajout de calcium
est effectué au moyen de l'introduction dans le bain de métal en fusion d'un
fil fusible
fourré au Si-Ca. Selon les besoins, et compte tenu du faible rendement de
dissolution
dans le bain d'un élément à forte tension de vapeur de ce type (rendement de
l'ordre de
10-15% si l'on opère avec soins), l'apport de Ca est réglé de manière à
obtenir une
teneur de l'ordre de 25 ppm en Ca total (dissous et lié sous forme
d'aluminates et de
sulfures).
Quant au magnésium, il peut être introduit à tout moment après désoxydation
par l'aluminium, soit séparément, soit simultanément au calcium si celui-ci
est apporté
après désoxydation.
L'ajout de magnésium en faible quantité conformément à l'invention peut
s'opérer en poche, ou éventuellement au répartiteur, à l'aide d'un fil
métallique fusible
fourré, en un alliage de Ni-Mg par exemple, et qui fond dans le bain d'acier
en fusion à
mesure qu'on l'y introduit.
La teneur minimale visée de 2 ppm en Mg dissous peut également être atteinte
par équilibre métal-laitier à l'aide d'un laitier de composition appropriée
qui est à former
sur le bain métallique en poche. Par exepmple, pourra convenir un laitier
basique
contenant jusqu'à 10% de MgO en poids, et dont un exemple de constitution est
donné
ci-après (les valeurs sont des pourcentages pondéraux): AI20;: 56 % - MgO: 3%-
CaO: 41 %.
Les résultats obtenus, à la température de coulée de 1560 C, sur
l'élargissement de la plage des inclusions fusibles grâce au traitement au
magnésium
présent avec sa teneur minimale de 2 ppm sont visibles sur la figure 2 par
rapprochement avec la figure 1 qui, elle, consigne, toute chose égale par
ailleurs, la
situation sans traitement au magnésium.
La comparaison, simplement visuelle, entre les figures 1 et 2 révèle immédia-
tement l'influence bénéfique de la présence de magnésium à faible teneur sur
l'élargissement du domaine de fusibilité I des inclusions de désoxydation
(aluminates de
chaux) au sein d'un bain en fusion d'acier UBC. L'élargissement s'opère en
fait par le
bas, c'est-à-dire vers les teneurs en calcium de traitement les plus faibles,
ou, exprimé
autrement, pour une teneur donnée en calcium, vers les teneurs les plus
élevées en
oxygène. On observe d'ailleurs, en même temps qu'un déplacement global vers le
bas,
un élargissement corrélatif du domaine voisin inférieur II (% Ca faible) dans
lequel les
oxydes sont partiellement liquides, alors que le domaine voisin supérieur IV
(% Ca
élevé) demeure celui des oxydes liquides, mais conjointement avec un précipité
de
sulfure de calcium. On notera que la limite haute de la plage de fusibilité
(passage de la
zone I à la zone IV) dépend, non pas de la teneur en Mg, mais de celle en
soufre,
toutes choses égales par ailleurs bien entendu.
En revanche, toute la zone III des diagrammes située en dessous du domaine de
transition II, à savoir celle où les inclusions de désoxydation sont en phase
solide, est
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largement amputée par un effet d'élargissements conjugués du domaine liquide I
et du
domaine voisin inférieur de transition II.
En portant son attention à présent sur les petits symboles circulaires placés
sur
chacune de ces deux figures, on pourra se rendre compte de la bonne
corrélation qui
5 existe entre l'élargissement du domaine de fusibilité I grâce au magnésium
en faible
quantité, conformément à l'invention, et le phénomène de bouchage de la
busette de
coulée. Les petits symboles géométriques vides consignent les coulées
réussies, donc
sans bouchage, alors que les symboles pleins noirs pointent les coulées ayant
subi des
bouchages importants. Il est précisé que ces symboles traduisent des analyses
en
1o calcium et oxygène total d'échantillons d'analyse prélevés à mi-coulée au
sein du
répartiteur .
Comme on le voit, le niveau de calcium dissous au delà duquel on forme des
oxydes liquides correspond bien au niveau de calcium dissous au delà duquel on
améliore la coulabilité de l'acier.
Conformément à l'invention, l'obtention d'une faible valeur de la teneur en
magnésium, et son maintien à ce niveau depuis la poche de coulée (lieu où se
fait la
métallurgie secondaire d'ajustement à la nuance finale et le calmage) jusqu'à
la
lingotière de coulée, confèrent dès lors :
- une souplesse accrue au traitement par le calcium en poche, puisque la plage
en
teneurs admissibles est plus grande en présence de magnésium, notamment vers
les bas
calcium comme on l'a vu;
- ainsi qu'une meilleure reproductibilité des résultats: l'effet du magnésium
même en
très faible quantité, étant très sensible sur le domaine de précipitation
inclusionnaire, on
peut aisément passer à côté du domaine des oxydes en phase liquide, si on ne
le
contrôle pas.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais
s'étend
à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa
définition
donnée par les revendications jointes.
En partiçulier, on aura compris que si les résultats visés par l'invention
peuvent
être obtenus déjà à partir d'une nûse en oeuvre de celle-ci avec une teneur
minimale du
bain métallique de 2 ppm en magnésium environ, cette valeur n'est qu'une
limite
inférieure qui, compte tenu des teneurs habituelles en oxygène du bain final,
garantit à
coup sûr une amélioration de la coulabilité. Autrement dit, l'invention pourra
produire
des résultats encore meilleurs sur l'élargissement de la plage de fusibilité I
des
inclusions si l'on prend soin d'ajuster la teneur en Mg en fonction de la
teneur réelle en
oxygène du bain métallique de manière à s'approcher, mais en prenant garde de
ne pas
l'atteindre, la valeur à laquelle le Mg commence à former des spinelles
solides de MgO,
dont la présence alors au sein du métal à couler annihilerait alors les
bienfaits de
l'invention sur la prévention des bouchages de busette.
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La figure 3 montre précisément, sous forme d'un graphique, la valeur limite
supérieure de la teneur en Mg en fonction de celle en oxygène total du bain à
partir de
laquelle ces spinelles indésirables vont se former au sein du bain d'acier en
fusion à la
température de coulée. On rappelle que la teneur en Ca considérée correspond à
la
valeur minimale pour avoir des oxydes à l'état liquide sans addition de Mg.
Comme on
le voit, la courbe représentative de cette valeur limite supérieure est
régulièrement
croissante avec les teneurs montantes en oxygène. Grâce aux caractéristiques
de son
origine basse, on voit bien qu'une teneur de 2 ppm environ en Mg permet d'être
toujours en deca du seuil limite de formation de spinelles quelle que soit le
niveau
d'oxygénation du bain métallique. On voit également, en portant son attention
à la mi-
courbe, qu'à des teneurs en oxygène total de 20 à 30 ppm, qui sont des valeurs
ordinairement atteintes de nos jours pour des aciers Ultra Bas Carbone, la
valeur limite
à ne pas dépasser se situe autour de 6 ppm, à plus ou moins 2 ppm si l'on se
trouve
proche des 30 ppm d'oxygène, ou proche des 20 ppm.
