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PRODUIT SIDÉRURGIQUE EN ACIER AU CARBONE, NOTAMMENT DESTINÉ
A LA GALVANISATION, ET SES PROCÉDÉS DE RÉALISATION
L'invention concerne la sidérurgie. Plus précisément, elle concerne
les aciers au carbone du type de ceux devant subir une galvanisation, c'est à
dire
un dépôt de zinc sur leur surface par trempage du produit dans un bain de zinc
liquide. Ce produit se trouve alors généralement sous forme de bande en
défilement ou de tôle.
Les aciers au carbone destinés à la galvanisation sont des aciers
contenant au maximum 0,15% de carbone et 0,08 à 2% de manganèse, ainsi que
les éléments d'alliage et impuretés habituels dans les aciers au carbone. Les
différentes classes d'acier pour galvanisation se distinguent essentiellement
par
leurs teneurs en éléments désoxydants.
Les aciers dits de classe 3 ont une teneur en silicium de 0,15 à
0,25%.
Les aciers dits de classe 2 ont une teneur en silicium inférieure ou
égale à 0,040%.
Les aciers dits de classe 1 ont une teneur en silicium inférieure ou
égale à 0,030%.
L'élaboration et la coulée en continu des aciers de classe 3 ne posent
pas de problèmes particuliers, car leur teneur en silicium fait que cet
élément
pilote la désoxydation de l'acier liquide en formant avec l'oxygène dissous
des
inclusions oxydées (éventuellement en combinaison avec le manganèse).
Pour cette raison, on n'observe pas au sein de l',acier liquide de
formation de CO qui serait susceptible de causer une effervescence de l'acier
lors de sa coulée.
Il n'en est pas de même dans le cas des aciers des classes 1 et 2.
Dans leurs cas, la teneur en silicium est trop faible pour que cet élément
intervienne dans le processus de désoxydation. C'est alors le carbone qui
pilote
cette désoxydation, et cela se traduit par une formation et un dégagement de
CO,
rendant l'acier effervescent . Cette effervescence présente deux
inconvénients :
- d'une part, elle provoque souvent lors de la solidification de l'acier
l'apparition de soufflures , dans la zone centrale du produit, c'est à dire
de
porosités correspondant à l'emplacement de poches de gaz présentes au
moment de la solidification ; cet inconvénient peut cependant être annulé si
l'acier subit ensuite un fort laminage à chaud qui va refermer ces porosités
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la
- d'autre part, si l'effervescence devient inopinément trop importante,
il y a un risque que l'acier déborde de la lingotière où a lieu sa
solidification.
Ce dernier risque est particulièrement à craindre lorsqu'un acier est
coulé en continu sur une machine du type habituel à lingotière sans fond
refroidie
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et oscillante, à parois fixes. Si un débordement de l'acier présent dans la
lingotière se produit, il représente un danger pour le personnel présent
alentour,
et entraîne de graves détériorations sur la machine de coulée.
Pour cette raison, les tôles et bandes d'acier des classes 1 et 2 sont
habituellement obtenues à partir de demi-produits qui sont :
- soit coulés non en continu, mais en lingots dans une lingotière
traditionnelle, car ce procédé tolère mieux les possibles effervescences de
l'acier: le remplissage de la lingotière peut être interrompu avant son
débordement si on constate une forte effervescence, et même les conséquences
d'un débordement ne sont jamais graves au point de remettre en cause la
marche régulière de l'aciérie ; les lingots sont ensuite laminés à chaud pour
former des brames ;
- soit coulés en continu sous forme de brames sur des machines
classiques à lingotière sans fond refroidie oscillante à parois fixes, mais
après
adjonction à l'acier d'une quantité relativement importante d'aluminium pour
que
ce soit cet élément qui pilote la désoxydation en formant des inclusions
d'alumine
solides, empêchant ainsi la formation de CO, donc l'effervescence.
Ces deux méthodes ne sont cependant pas idéales. La coulée en
lingots est notoirement moins productive que la coulée continue et nécessite
ensuite un plus grand nombre d'étapes de laminage à chaud pour l'obtention
d'un
produit d'une épaisseur donnée. Quant à la désoxydation à l'aluminium, elle
est
plus coûteuse en éléments d'alliage. De plus, les inclusions d'alumine doivent
être autant que possible éliminées avant l'étape de coulée continue pour
qu'elles
ne risquent pas de boucher les busettes du répartiteur de la machine de
coulée.
On peut rendre ces inclusions d'alumine liquides par un traitement au
calcium, mais cela introduit un coût supplémentaire en éléments d'alliage. Il
est
également nécessaire d'empêcher autant que possible les réoxydations
atmosphériques lors de la coulée continue, pour éviter la formation de
nouvelles
inclusions d'alumine que l'on ne pourra pas éliminer avant la solidification,
et qui
se retrouveront dans le produit final, dont elles dégraderont les propriétés
mécaniques. A cet effet, on injecte de l'argon dans les busettes introduisant
l'acier dans la lingotière, ce qui, là encore, augmente le coût de
fabrication. De
plus, il y a un risque de piégeage de bulles d'argon au moment de la
solidification, susceptible de causer des défauts dans le produit.
II serait pourtant intéressant de fabriquer les aciers pour galvanisation
des classes 1 et 2 par un procédé aussi économique que possible, car ces
aciers
présentent l'avantage d'autoriser des vitesses de dépôt du revêtement de
galvanisation plus élevées que les aciers de classe 3. Cet avantage est peu
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sensible lorsque la galvanisation est effectuée par déroulement d'une bande
d'acier dans un bain de zinc liquide. En revanche, lorsqu'une tôle isolée est
trempée dans le bain de zinc, il est important pour la qualité du produit et
la
productivité de l'installation que ce dépôt soit le plus rapide possible.
Le but de l'invention est de mettre les aciéristes en mesure de
proposer des bandes et des tôles d'acier pour galvanisation correspondant aux
nuances des classes 1 et 2 précédemment citées, produites à des coûts
minimaux, c'est à dire réalisées à partir de demi-produits coulés en continu,
et ne
contenant pas ou très peu d'aluminium.
A cet effet, l'invention a pour objet un produit sidérurgique en acier au
carbone, destiné à être galvanisé, caractérisé en ce qu'il se présente sous
forme
d'une bande ou d'une tôle obtenue à partir d'un demi-produit coulé en continu
et
formée d'un acier de composition en poids :
- 0,0005% s C _< 0,15%
-0,08%:Mn s2%;
- Si < 0,040%, de préférence _< 0,030% ;
- Altotal _< 0,010%, de préférences 0,004% ;
- Alsoluble <_ 0,004% ;
- 0,0050% s Ototal < 0,0500%, et de préférence <_ 0,0300% ;
- P :g 0,20%, de préférences 0,03% ;
- S <_ 0,10%, de préférence 0,03% ;
- chacun des éléments Cu, Cr, Ni, Mo, W, Co < 1 %, de préférence <
0,5%
- chacun des éléments Ti, Nb, V, Zr s 0,5%, de préférences 0,2% ;
- chacun des éléments Sn, Sb, As <_ 0,11/o
;
- B < 0,1 %, de préférence s 0,01 % ;
- N <_ 0,0400%, de préférence <_ 0,0150% ;
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Plus particulièrement l'invention vise un procédé pour l'obtention d'un
demi-produit sidérurgique, caractérisé en ce que:
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on élabore en poche un acier liquide dont la composition est, en
pourcentages pondéraux:
- 0,0005% <_C <_0,15%
- 0,08% <_Mn <_2%
- Si <_0,040%
- Altotal _<0,010%
- Alsoluble ç0,004%
- 0,0050% <Ototal <_0,0500%
- P <_0,20%
- S <_0,10%
- chacun des éléments Cu, Cr, Ni, Mo, W, Co <_1 %
- chacun des éléments Ti, Nb, V, Zr <_0,5%
- chacun des éléments Sn, Sb, As <_0,1 %
-B <_0,1%
- N <_0,400%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration;
- on maintient la teneur en oxygène dissous entre 0,0050% et 0,0500% grâce
à l'établissement d'un équilibre chimique entre le métal et le laitier de
poche qui le
recouvre;
-on établit l'équilibre chimique en réglant la composition du laitier de poche
et
en réalisant une agitation du métal liquide;
- on coule ledit acier sur une machine de coulée continue;
- en ce que ladite machine de coulée continue est une machine de coulée
continue de bandes minces d'une épaisseur de 1-10mm, dans une lingotière à une
ou plusieurs parois mobiles accompagnant le produit en cours de
solidification;
- en ce que ladite machine est une coulée continue entre cylindres;
- et en ce que la teneur en oxygène dissous est suffisamment basse pour éviter
une
effervescence de l'acier dans la lingotière pendant la coulée.
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3b
L'invention a également pour objet un produit sidérurgique résultant de
la galvanisation du produit précédent.
L'invention a également pour objet un procédé pour l'obtention d'un
demi-produit sidérurgique, caractérisé en ce que :
- on élabore en poche un acier liquide dont les teneurs en C, Mn, Si,
AI, P, S, Cu, Cr, Ni, Mo, W, Co, Ti, Nb, V, Zr, Sn, Sb, As, B et N sont
conformes à
celles citées précédemment, et dont on maintient la teneur en oxygène
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dissous entre 0,0050 et 0,0500% grâce à l'établissement d'un équilibre
chimique
entre le métal et le laitier de poche qui le recouvre ;
- et on coule ledit acier sur une machine de coulée continue.
Ladite machine de coulée continue peut être une machine de coulée
continue de brames dans une lingotière à parois fixes.
Ladite machine de coulée continue peut: être une machine de coulée
continue de bandes minces dans une lingotière à une ou plusieurs parois
mobiles
accompagnant le produit en cours de solidification.
Ladite machine peut, dans ce cas, être une coulée continue entre
cylindres.
L'invention a également pour objet un procédé d'obtention d'un produit
sidérurgique du type précédent, caractérisé en ce que :
- on élabore et on coule un demi-produit sidérurgique, en utilisant un
procédé tel que précédemment décrit
- et on lamine ledit demi-produit sous forme d'une bande.
L'invention a également pour objet un procédé d'obtention d'un produit
sidérurgique du type précédent, caractérisé en ce qu'on élabore et on coule un
demi-produit sidérurgique sous forme d'une bande, en utilisant une machine de
coulée continue de bandes minces.
On peut ensuite laminer ladite bande.
L'invention a également pour objet un procédé d'obtention d'un produit
sidérurgique, caractérisé en ce qu'on élabore une bande par un des procédés
précédents, et en ce qu'on effectue une galvanisation de ladite bande.
Comme on l'aura compris, selon l'invention on réalise l'élaboration et
la coulée en continu d'un acier liquide dont les caractéristiques de
composition
répondent aux conditions exigées pour les aciers destinés à la galvanisation
des
classes 1 ou 2 sans aluminium. Leur coulée sous forme de demi-produits
exploitables pour une galvanisation ultérieure est rendue possible dans des
conditions de coût et de sécurité convenables par l'emploi de l'une ou l'autre
de
ces deux méthodes, qui peuvent d'ailleurs être combinées :
- l'élaboration de l'acier liquide dans des conditions telles qu'un
équilibre entre le métal liquide et le laitier de poche s'établit et impose
une teneur
en oxygène dissous suffisamment basse pour éviter l'apparition d'une
effervescence dans la lingotière de la machine de coulée continue ; cette
teneur
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en oxygène doit être conservée autant que possible entre la poche et la
lingotière ;
- la coulée de l'acier sous forme de bandes minces (généralement de
1 à 10 mm d'épaisseur), sur une installation de coulée entre deux cylindres ou
5 entre deux bandes en défilement, qui est plus tolérante qu'une machine de
coulée continue classique à lingotière oscillante à parois fixes vis-à-vis
d'une
effervescence de l'acier ; on peut également utiliser à cet effet une
installation de
coulée sur une surface en mouvement unique, telle qu'une bande en défilement
ou un cylindre en rotation.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit.
De manière générale, la composition de l'acier que l'on désire obtenir
présente les caractéristiques suivantes (les pourcentages sont des
pourcentages
pondéraux).
La teneur en carbone est comprise entre 0,0005% et 0,15%.
La teneur en manganèse est comprise entre 0,08% et 2%.
La teneur en silicium est inférieure ou égale à 0,040% (acier de classe
2), préférentiellement inférieure ou égale à 0,030% (acier de classe 1) pour,
comme on l'a dit, procurer une vitesse de dépôt élevée lors de la
galvanisation.
La teneur en aluminium total est inférieure ou égale à 0,010%,
préférentiellement inférieure ou égale à 0,004%. La teneur en aluminium dit
soluble (c'est à dire soluble dans une solution acide au moment de l'analyse
de l'échantillon) est inférieure ou égale à 0,004%. Ces deux conditions
reviennent
à dire qu'au moins lors des dernières étapes de l'élaboration de l'acier, la
teneur
en oxygène dissous n'a pas été pilotée par un ajout d'aluminium, et que celui-
ci
ne se retrouve dans le produit final qu'à l'état de traces. Ces traces sont,
dans la
pratique, essentiellement constituées par de l'aluminium présent sous forme
d'alumine dans les inclusions oxydées résultant des contacts entre le métal et
le
laitier de poche.
La teneur en oxygène total est comprise entre 0,0050 et 0,0500%, et
de préférence entre 0,0050 et 0,0300%. Cette teneur en oxygène résulte des
équilibres chimiques qui ont été établis dans la poche, au cours de
l'élaboration,
entre le métal liquide et le laitier de poche, de l'éventuel apport d'oxygène
atmosphérique au métal liquide qui a pu se produire entre l'élaboration en
poche
et la coulée du métal dans la lingotière, et de l'efficacité du processus de
décantation des inclusions oxydées formées pendant et après l'élaboration en
poche. En général, on vise une teneur en oxygène total dans le produit final
comprise entre 0,0050 et 0,0300%, car au-delà de 0,0300%, les propriétés
mécaniques du produit risquent d'être détériorées.
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Les teneurs en phosphore et en soufre (inférieures ou égales à 0,20%
pour le soufre, à 0,10% pour le phosphore, de préférence inférieures ou égales
à
0,030%), en cuivre, chrome, nickel, molybdène, tungstène, cobalt (inférieures
ou
égales à 1%, de préférence inférieures ou égales à 0,5%), en titane, niobium,
vanadium, zirconium (inférieures ou égales à 0,5% de préférence inférieures ou
égales à 0,2%), en étain, antimoine, arsenic (inférieures ou égales à 0,1%),
en
bore (inférieure ou égale à 0,1%, de préférence égale à 0,01%) et en azote
(inférieure ou égale à 0,0400%, de préférence inférieure ou égale à 0,015%)
correspondant aux exigences les plus habituelles dans les aciers pour
galvanisation.
Les autres éléments présents sont du fer et des impuretés résultant de
l'élaboration.
Selon un procédé de fabrication d'une bande ou d'une tôle d'un acier
selon l'invention, on élabore dans la poche de coulée un acier ayant les
teneurs
en C, Mn, Si, P, S, Cu, Cr, Ni, Mo, W, Co, Ti, Nb, V, Zr, Sn, Sb, As, B et N
citées
ci-dessus. Au tout début de l'élaboration (par exemple lors de la coulée en
poche), on peut ajouter de l'aluminium pour capter la plus grande part de
l'oxygène dissous présent dans l'acier liquide au moment du remplissage de la
poche de coulée. On forme ainsi des inclusions d'alumine qui vont normalement
décanter dans le laitier de poche au cours de l'élaboration. Mais dans la
suite de
l'élaboration, généralement, on n'ajoutera plus d'aluminium, de manière à
éviter
de retrouver, dans le produit final, plus de 0,010% d'aluminium total et plus
de
0,004% d'aluminium soluble. Dans ces conditions, si on n'utilise pas du tout
d'aluminium ou si tout l'aluminium ajouté en début d'élaboration est consommé
pour former de l'alumine qui décante en quasi-totalité par la suite, la teneur
en
oxygène dissous de l'acier liquide est contrôlée soit par le carbone, soit par
le
silicium, soit par le manganèse, soit par ces deux derniers éléments
simultanément. Compte tenu des très faibles teneurs en silicium de l'acier,
c'est
dans la plupart des cas le carbone qui devrait piloter la désoxydation, et
cela
aboutirait à la formation de CO qui rendrait l'acier effervescent , avec
tous les
inconvénients que cela comporte au moment de la coulée, comme on l'a déjà dit.
Selon le procédé de fabrication selon l'invention, l'aciériste
responsable de l'élaboration fait en sorte que malgré sa faible teneur, le
silicium
(éventuellement en association avec le manganèse), soit l'élément qui pilote
la
désoxydation. A cet effet, on réalise un équilibre chimique entre le métal et
le
laitier recouvrant l'acier liquide en poche :
- en réglant la composition du laitier dans un domaine adéquat ;
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- et en réalisant une agitation du métal liquide (par un procédé connu,
tel que l'injection d'un gaz neutre et/ou l'utilisation d'un brasseur
électromagnétique) de manière à réaliser un contact intime entre le laitier et
le
métal qui vient à son contact de manière renouvelée.
L'aciériste peut déterminer, à l'aide de modèles théoriques disponibles
dans la littérature, quelles compositions de laitier peuvent lui permettre
d'obtenir
une teneur en oxygène dissous donnée, pour des teneurs en Si et Mn données. Il
peut régler la composition de son laitier de poche en y ajoutant de la chaux,
de la
silice, de l'alumine et/ou de la magnésie de façon à former un laitier
synthétique . A cet effet, il peut procéder à des analyses chimiques du
laitier en
cours d'élaboration, de façon à déterminer quels oxydes doivent y être ajoutés
pour obtenir la composition désirée. Le résultat de cette pratique peut être
contrôlé par des mesures de la teneur en oxygène dissous de l'acier liquide,
réalisées au moyen de piles électrochimiques connues. En fin d'élaboration, on
obtient un acier dont la teneur en oxygène dissous doit être située dans les
limites prescrites pour la teneur en oxygène total de l'acier selon
l'invention, et la
poche est envoyée vers l'installation de coulée continue.
A titre d'exemple, on peut dire qu'un acier contenant 0,02% de Si et
0,8% de Mn et mis en équilibre avec un laitier de composition 40% de CaO, 35%
de Si02 , 10% de MnO, 10% de MgO, 5% d'oxydes divers renferme 70ppm
d'oxygène dissous.
De même, un acier contenant 0,01% de Si et 0,6% de Mn et mis en
équilibre avec un laitier de composition 35% de CaO, 35% de Si02, 20% de
MnO, 10% de MgO et d'oxydes divers renferme 100ppm d'oxygène dissous.
Pendant la coulée continue, il faut veiller à ce que la teneur en
oxygène dissous obtenue à la fin de l'élaboration en poche ne soit pas
augmentée trop sensiblement par la suite du fait des réoxydations susceptibles
de se produire au contact de l'atmosphère. Pour conserver la teneur en oxygène
dissous, on peut proposer plusieurs modes opératoires pouvant être cumulés :
- continuer le brassage de l'acier liquide en poche pendant la coulée,
de manière à assurer la conservation de l'équilibre métal-laitier dans la
poche
pendant toute la durée de la coulée ;
- conférer à la poudre de couverture recouvrant l'acier présent dans le
répartiteur de la machine de coulée une composition procurant un équilibre
métal-laitier permettant de conserver la teneur en oxygène dissous obtenue
dans
la poche dans les limites recherchées ;
- protéger autant que possible le métal liquide des réoxydations
atmosphériques en l'exposant à un gaz non oxydant (argon, hélium, voire azote
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si on accepte une teneur en azote relativement élevée dans le métal final)
jusqu'à
son introduction dans la lingotière ; à cet effet on peut réaliser une
injection de
gaz non oxydant dans les tubes en réfractaire protégeant les jets de coulée
entre
poche et répartiteur et répartiteur et lingotière, et/ou réaliser un capotage
intégral
du répartiteur et injecter du gaz non oxydant sous le capot.
Dans ces conditions, l'acier liquide présent dans la lingotière au
moment de la coulée contient une teneur en oxygène dissous insuffisante pour
provoquer une réaction avec le carbone qui entraînerait un dégagement de CO
important, risquant de provoquer une effervescence dangereuse. On évite ainsi
un risque de débordement du métal liquide hors de la lingotière.
Ce mode opératoire est applicable aux aciers coulés en continu sous
forme de brames sur des machines utilisant des lingotières sans fond
oscillantes
à parois fixes. Elles peuvent être du type classique utilisé pour couler des
brames
de l'ordre de 20cm d'épaisseur qui sont ensuite laminées à chaud pour obtenir
des bandes à chaud. Celles-ci peuvent être ensuite galvanisées et utilisées
telles
quelles, ou peuvent subir un laminage à froid et d'autres traitements
thermiques
ou thermomécaniques avant leur galvanisation.
On peut également utiliser à cet effet des installations de coulée de
brames minces, sur lesquelles l'épaisseur du produit en sortie de machine est
de
l'ordre de 3 à 15cm, éventuellement après que le produit sortant de la
lingotière a
subi une opération de compression sur coeur liquide. Les brames ainsi coulées
sont ensuite laminées à chaud.
Selon une autre variante de l'invention, on effectue la coulée d'un acier
liquide élaboré comme ci-dessus sur une installation de coulée continue du
type
ayant une lingotière sans fond dont deux grandes parois mobiles accompagnent
le produit en cours de solidification. Les deux principaux procédés connus
répondant à cette caractéristique sont la coulée entre deux bandes en
défilement
refroidies et la coulée entre deux cylindres à axes horizontaux refroidis
intérieurement et mis en rotation en sens inverses. L'espace de coulée où a
lieu
la solidification du produit est obturé latéralement par des faces latérales
fixes.
On obtient ainsi directement des produits sous forme de bandes, généralement
de 1 à 10mm d'épaisseur, qui peuvent ensuite subir un laminage à chaud
(éventuellement sur une cage disposée en ligne avec l'installation de coulée).
La
bande peut ensuite être utilisée directement, ou subir un laminage à froid et
divers autres traitements thermomécaniques habituels.
Dans le cas de la coulée d'aciers selon l'invention, destinés
notamment à la galvanisation, l'utilisation d'une telle installation de coulée
directe
de bandes est avantageuse en ce que le puits liquide présent dans la
lingotière a
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une moindre profondeur que dans une lingotière de coulée continue classique.
Les bulles de CO qui se forment dans la partie inférieure du puits liquide ont
donc
une moindre possibilité de croissance avant de parvenir à la surface du puits
liquide, et l'effervescence est sensiblement atténuée par rapport à ce que
l'on
observerait lors de la coulée du même acier sur une coulée continue classique.
De plus, la forme évasée vers le haut de la lingotière est plus adaptée que la
section pratiquement constante des lingotières fixes classiques à une
atténuation
des variations de niveau dues à une effervescence. Enfin, si un débordement
de métal liquide se produit, ses conséquences sont généralement d'une moindre
gravité que dans le cas d'une coulée continue de brames classique, car les
organes présents sous la lingotière et susceptibles d'être atteints par
l'acier
liquide sont moins nombreux et plus aisément protégeables. Si des porosités au
centre de la bande apparaissent à la solidification, il est possible de les
refermer
par un laminage à chaud.
En variante, on peut réaliser la coulée de la bande sur une installation
dont la lingotière ne comporte qu'une seule paroi mobile, telle qu'une bande
en
défilement ou un cylindre en rotation. On peut ainsi avoir accès à des
épaisseurs
de bande inférieures à 1 mm.
Il va de soi que les produits selon l'invention peuvent trouver des
applications hors du strict domaine de la galvanisation.
