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Fil fourré
L'invention se rapporte au domaine technique des enveloppes tubulaires
contenant des matériaux pulvérulents ou granulaires compactés, ces
enveloppes à âme étant utilisées pour le traitement de métaux liquides,
notamment aciers, et étant conventionnellement dénommés fils fourrés .
L'introduction dans les bains de métal liquide de ces fils fourrés permet
notamment l'affinage, la désoxydation, le dégazage, le calmage et/ou la
modification de la composition de ces bains.
Ainsi par exemple, pour la désulfuration des fontes de haut fourreau
destinées à la conversion en acier, il est connu d'utiliser des fils fourrés
contenant Mg et C2Ca ou bien encore Nat C03, CaCO3, CaO, MgO.
Les fils fourrés sont typiquement employés en métallurgie secondaire des
aciers, parmi d'autres moyens tels que brassage en poche, injection de poudre,
CAS (Composition Adjustement Sealed), four poche à arc, RH (Ruhrstahl
Heraeus), vide en cuve.
Les fils fourrés sont employés pour la désulfuration des fontes, pour
l'obtention de fontes GS, l'inoculation des fontes de moulage.
L'inoculation des fontes consiste à introduire dans les fontes des
éléments qui favorisent la germination du graphite au détriment de la
cémentite, ces éléments étant par exemple des alcalins, des alcalinoterreux
(Ca) ou du bismuth, alliés au silicium. En règle générale, désulfuration,
nodulisation et inoculation sont effectuées dans l'ordre. Le magnésium et le
carbure de silicium sont souvent utilisés et les températures de bain sont de
l'ordre de 1300 à 1400 C, c'est à dire inférieures à celles des poches d'acier
liquide.
Les fonctions premières du fil fourré sont, pour les aciers, la
désoxydation, la désulfuration, le contrôle inclusionnaire et la mise à
nuance.
L'opération de désoxydation consiste à combiner l'oxygène dissous dans
l'acier liquide issu du convertisseur ou du four électrique (teneur d'environ
500
ppm ou plus) avec un agent désoxydant dont une partie restera à l'état dissous
dans le métal liquide. L'examen des courbes d'activité de l'oxygène dissous
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dans le fer liquide à 1600 C, en équilibre avec divers éléments oxydants
suggère que des additions relativement modestes d'aluminium permettent
d'abaisser très fortement les teneurs en oxygène dissous résiduel, pour former
de l'alumine pure, l'aluminium étant de ce fait très utilisé comme agent
désoxydant pour les produits plats.
Le four électrique coule en poche un métal plus ou moins décarburé,
déphosphoré, mais effervescent : compte tenu de sa teneur en oxygène
dissous, le produit % CO x % 0 est tel qu'à la température considérée, la
réaction de formation de CO est spontanée au sein du bain d'acier liquide.
La désoxydation est ainsi dénommée calmage, par référence à cette
effervescence du bain d'acier primaire liquide.
Les agents désoxydants contenus dans les fils fourrés sont des
ferroalliages, le plus souvent (ferrosilicium, ferromanganèse, aluminium). Ils
entraînent la formation d'oxydes (silice, oxyde de manganèse, alumine) qui,
par
brassage modéré de la poche, décantent dans le laitier.
Malgré toutes les précautions prises, des inclusions résiduelles d'alumine
peuvent provoquer le bouchage des busettes de coulée ou l'apparition de
défauts sur les produits finaux de faible section tels qu'issus de coulée
continue
en brames minces.
De sorte que les fils fourrés contiennent également conventionnellement
du calcium, pour les aciers calmés à l'aluminium. L'addition d'alliages de
calcium
à un acier liquide calmé à l'aluminium permet une modification des inclusions
d'alumine, par réduction partielle par le calcium. Les aluminates de calcium
sont
liquides à la température des aciers liquides, voisine de 1600 C, donc
globulaires sur produit lorsque leur teneur en CaO est comprise entre 40 % et
60 %. La quantité de calcium en solution nécessaire pour obtenir la
modification des inclusions dépend de la teneur en aluminium du bain
métallique. La majeure partie du calcium introduit par fil fourré se trouve
donc,
dans le métal liquide, sous forme d'inclusions liquides d'aluminates de chaux,
et
ne dépasse pas quelques ppm.
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Il est difficile d'éviter en pratique le violent bouillonnement de l'acier
liquide, provoqué par la brusque volatilisation du calcium contenu dans le fil
fourré. La tension de vapeur du calcium est en effet d'environ 1,8 atm à
1600 C. Le bouillonnement, s'il est trop intense, peut perturber les
conditions
de pénétration du fil fourré dans le bain d'acier et s'accompagner d'une
pollution du bain, qui s'oxyde ou se renitrure . En même temps, des
projections
d'acier liquide se produisent, traversant la couche de laitier et s'oxydant au
contact de l'air avant de retomber. Par ailleurs, il y a risque de projection
d'acier
hors de la poche.
Il peut en résulter une remontée des teneurs en 02, N2 et même H2 de
l'acier obtenu. Le bouillonnement est réduit en introduisant le calcium, non
pas
non allié, mais sous forme de CaSi, avec l'inconvénient majeur d'introduire du
silicium dans l'acier liquide, ce qui est défavorable pour certains aciers
tels ceux
pour emboutissage profond.
Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé d'introduire le calcium sous
forme d'alliage CaNi, éventuellement mélangé à un peu d'alliage CaSi. D'autres
solutions sont présentées dans le document EP-0.190.089.
Pour pallier cet inconvénient, il a pu être envisagé de purger le volume
situé entre la surface de métal et le couvercle, en injectant de l'argon dans
le
cas d'acier à faible concentration en azote. En pratique, les fours n'étant
pas
étanches, un fort courant d'argon entraîne une aspiration d'air et un faible
courant d'argon implique un temps d'inertage prohibitif du volume gazeux au
dessus de la poche d'acier liquide.
A noter également que le brassage ou bullage à l'argon au travers du
bouchon poreux de la poche entraîne une intumescence de la surface du laitier,
qui augmente encore les pertes de calcium par évaporation ou oxydation, lors
de l'introduction simultanée de fil fourré, l'intumescence provoquant le
contact
direct du métal liquide avec l'air.
Le rendement apparent de l'addition de calcium n'est que le reflet de la
propreté inclusionnaire du métal. Ce rendement est faible, la plus grande
partie
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du calcium ajouté par fil fourré se trouvant perdue par évaporation et/ou par
oxydation avec l'atmosphère, les laitiers et les réfractaires.
Il est donc très important, pour minimiser ces réactions secondaires,
d'effectuer l'addition de calcium après une décantation soignée des inclusions
de désoxydation et d'adapter l'addition aux taux de transformation souhaité
pour ces inclusions.
Les inclusions d'oxyde exogènes issues du contact du calcium avec les
réfractaires ou les poudres du répartiteur sont en effet difficiles à éliminer
avant
la solidification du métal. Ces inclusions d'alumine sont solides et plus
nocives
que les Inclusions d'aluminate de calcium pour ce qui est du bouchage des
busettes de coulée continue par exemple.
Le traitement par fil fourré au calcium d'un acier liquide calmé à
l'aluminium peut également entraîner la formation de sulfure de calcium se
déposant dans les busettes de coulée continue, pour des aciers à faible teneur
en aluminium et teneur en soufre élevée.
Le contrôle de l'état inclusionnaire par l'addition de composants
chimiques logés dans des fils fourrés concerne essentiellement les oxydes et
les
sulfures.
L'addition de soufre augmente la quantité de sulfures de manganèse et
l'usinabilité de l'acier.
L'addition de calcium, de sélinium ou de tellure permet de modifier la
composition, la morphologie ou le comportement rhéologique des inclusions lors
des déformations ultérieures.
La maîtrise de la propreté inclusionnaire est notamment très importante
pour les aciers pour roulements, les aciers de décolletage, les aciers pour
armatures de pneumatique ou les aciers pour ressorts de soupape.
La désoxydation et le contrôle de l'état inclusionnaire des aciers, grâce
aux additions chimiques par fil fourré, sont donc des opérations complexes
relevant du savoir faire de l'aciériste, opérations pour lesquelles les
qualités du
fil fourré sont très importantes : régularité de composition, régularité de
compaction notamment.
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Or, la fabrication et l'utilisation de ces fils fourrés posent un très grand
nombre de problèmes pratiques dont certains vont être évoqués ci-dessous.
Compaction Insuffisante ou irrégulière
Une compaction irrégulière du matériau contenu dans l'enveloppe se
traduit par une irrégularité dans les quantités de ce matériau introduites,
par
unité de temps, dans le bain d'acier ou de métal liquide.
Une compaction insuffisante du matériau contenu dans le fil fourré réduit
d'autant la quantité, par unité de temps, du matériau que l'on peut introduire
dans le métal liquide, en plongeant le fil fourré dans le bain de métal
liquide.
Si le compactage est insuffisant, la matière pulvérulente peut se déplacer
à l'intérieur du fil fourré.
Efforts mécaniques excessifs au déroutage
Si l'opération de compactage a nécessité une déformation plastique
importante de l'enveloppe métallique, la rigidité élevée, par écrouissage, de
l'enveloppe du fil fourré entraîne des efforts importants au déroulage, en
particulier à partir de tambours de faible diamètre, à petit rayon de
courbure.
Par tambour, on désigne ici ainsi bien les tourets de conditionnements
dits dynamiques que les parois des cages de conditionnements dits statiques.
Rigidité insuffisante du fil fourré
Certains fils fourrés, notamment de section aplatie, présentent une
rigidité insuffisante pour leur introduction en profondeur dans certains bains
métalliques de forte densité, surtout si ces bains sont recouverts par un
laitier
de forte viscosité.
Déformation en spirale lors du déroulage
On a pu observer, lors du déroulage du fil fourré conditionné en cage
statique une déformation en spirale de ce fil, de sorte que ce fil fourré ne
pénètre pas dans le bain de métal liquide, mais se recourbe et reste en
surface.
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Désagrafage de l'enveloppe du fil fourré
On a pu observer, pour certains produits, au cours du déroulage du fil
fourré de son touret de stockage ou de sa cage, ou au cours du dressage du fil
précédant son introduction dans le bain liquide, un désagrafage de l'enveloppe
du fil fourré.
Les autres techniques de fermeture des feuillards d'enveloppe de fil
fourré (rapprochement bord à bord, recouvrement, soudage) présentent
d'autres inconvénients : surépaisseurs d'enveloppe réduisant le rapport
poudre/gaine, risque de détérioration de la poudre lors du soudage.
Réduction du temps nécessaire à lintroduction dans le bain d'une quantité
donnée d'additifs.
L'augmentation de la vitesse d'introduction du fil dans le bain peut
entraîner des accidents si le fil bute contre le fond du récipient ou ressort
du
bain avant d'avoir eu le temps de fondre.
L'augmentation du diamètre de fil conduit à une augmentation du rayon
d'enroulement, les bobines nécessaires pour enrouler de tels fils devenant
alors
trop grandes pour être utilisées facilement dans les espaces réduits
disponibles
en aciérie.
A titre indicatif, pour introduire 1 kg de CaSi par tonne d'acier dans une
poche de 150 tonnes, soit 150 kg d'une poudre de CaSi placée dans un fil ayant
une densité de 240 g/m, une longueur de 625 m de fil fourré est nécessaire,
l'introduction de ce kilomètre de fil à 2 m/s représentant un temps de travail
de
plus de cinq minutes.
Destruction prématurée du fil fourré
Si l'enveloppe du fil fourré est détruite de manière prématurée, par
fusion rapide dès pénétration dans le bain métallique, le contenu du fil est
libéré au voisinage de la surface du bain.
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Déformation du fil, en U. dans le bain de métal liquide
Il est par ailleurs prétendu dans un document de l'art antérieur que le fil
fourré peut perdre sa rigidité et se courber progressivement en U dans le bain
de métal liquide de sorte que son extrémité remonte vers la surface avant que
le contenu du fil soit libéré, cette remontée étant due en particulier à la
poussée ferrostatique, la densité apparente du fil étant en général inférieure
à
celle du bain métallique.
Si le fil fourré contient Ca, Mg, une libération à faible profondeur de ces
éléments, dans le bain de métal liquide entraîne des pertes de rendement très
élevées, par exemple pour la désulfuration des fontes.
La libération massive de calcium à faible profondeur dans le bain de
métal liquide entraîne une réaction violente et des projections de métal
liquide.
Profondeur de pénétration insuffisante du fil fourré dans le bain de métal
liquide
A titre d'exemple, le document US 4.085.252 dont la relation suivante
entre la profondeur de pénétration L, l'épaisseur e de l'enveloppe métallique
du
fil et le diamètre d d'une barre de Cerium :
L = 1,7 (e+0,35d)v. 10.2
V étant la vitesse d'introduction du fil, comprise entre 3 et 30 m/mn pour des
raisons de sécurité.
Si la profondeur L est faible, par exemple 30 cm, il existe un risque élevé
que le produit contenu dans le fil fourré n'entre en contact avec le laitier
surnageant, et soit ainsi perdu.
Si la profondeur L est trop faible, il existe aussi un risque d'hétérogénéité
de répartition de l'élément chimique (ou des éléments) contenus dans le fil
fourré, dans le bain de métal liquide.
Réactivité des poudres contenues dans le fil et colmatage des installations de
coulée continue
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Comme indiqué dans le document US 4.143.211, l'affinité chimique
des éléments tels que terres rares, AI, Ca, Ti, pour l'oxygène conduit à la
formation d'oxydes qui peuvent adhérer aux parois internes des busettes de
régulation de débit des installations de coulée continue et provoquer un
colmatage.
Il est donc nécessaire de fournir aux aciéristes des fils fourrés facilitant
l'introduction homogène de la quantité juste nécessaire au résultat recherché
(désoxydation, contrôle inclusionnaire, résistance mécanique, etc..) pour le
produit sidérurgique final.
Pour tenter de résoudre au moins un de ces problèmes techniques, un
très grand nombre de structures et de procédés de fabrication de fils fourrés
ont été proposés dans l'art antérieur, par exemple illustrés dans les
documents suivants :
- demandes de brevet européen publiées sous les numéros
0.032.874, 0.034.994, 0.044.183, 0.112.259, 0.137.618, 0.141.760,
0.187; 997, 0.236.246, 0.273.178, 0.277.664, 0.281.485, 0.559.589 ;
- demandes de brevet français publiées sous les numéros : 2.235.200,
2.269.581, 2.359.661, 2.384.029, 2.392.120, 2.411.237, 2.411.238,
2.433.584, 2.456.781, 2.476.542, 2.479.266, 2.511.039, 2.576.320,
2.610.331, 2.612.945, 2.630.131, 2.688.231 ;
- brevets américains publiés sous les numéros : 2.705.196, 3.056.190,
3.768.999, 3.915.693, 3.921.700, 4.085.252, 4.134.196, 4.174.962,
4.163.827, 4.035.892, 4.097.268, 4.235.007, 4.364.770, 4.481.032,
4.486.227, 4.671.820, 4.698.095, 4.708.897, 4.711.663, 4.738.714,
4.765.599, 4.773.929, 4.816.068, 4.832.742, 4.863.803, 4.906.292,
4.956.010, 6.053.960, 6.280.497, 6.346.135, 6.508.857.
La présentation succincte de quelques uns de ces documents
antérieurs illustre la très grande variété des solutions techniques envisagées
pour répondre aux différents problèmes techniques énoncés en introduction.
Le document EP-B2-0.236.246 décrit un fil fourré comprenant une
enveloppe métallique agrafée par un pli raccordé à la circonférence, fermé
sur
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lui-même et dont l'arête est engagée à l'intérieur de la masse compactée
formant l'âme du fil fourré.
L'agrafage est réalisé le long d'une génératrice de l'enveloppe du fil
fourré, éventuellement renforcé par un sertissage avec indentations
transversale sur toute la largeur de la bande d'agrafage. La compaction de
l'âme du fil fourré est obtenue par formation d'un pli ouvert, à l'opposé de
la
zone d'agrafage, puis fermeture de ce pli par pressions radiales.
L'enveloppe du fil fourré est en acier ou en aluminium et contient par
exemple un alliage pulvérulent de CaSi à 30 % de Ca en masse.
Le document US-4.163.827 décrit un fil fourré comprenant une âme à
base de ferrosilicium, contenant Ca, AI, en poudre noyée dans une résine ou un
liant polymère tel que polyuréthane, cette âme étant extrudée avant d'être
enveloppée par enroulement simple ou double, en hélice, d'une mince bande
de métal, de plastique ou de papier, d'une épaisseur de 0,025 mm à 0,15 mm.
Un tel fil fourré présente de nombreux inconvénients. En premier lieu, les
matériaux formant la résine sont source de pollution inacceptable pour le bain
de métal liquide. En second lieu, la tenue mécanique et la rigidité du fil
sont
très insuffisants.
En troisième lieu, la poudre de ferrosilicium est pratiquement non
protégée vis à vis de la température élevée du métal liquide.
Le document EP-0.032.874 décrit un fil fourré comprenant une gaine
métallique en feuillard mince contenant un additif entouré au moins
partiellement par une enveloppe en matériau synthétique organique ou
métallique sous forme d'un feuillard d'épaisseur inférieure à 100 microns. Le
fil
présente une forme aplatie. Le feuillard fin est en polyéthylène, polyester ou
polychlorure de vinyle et forme moyen d'étanchéisation, éventuellement
thermorétractable. Aucun procédé de fabrication n'est décrit pour ce fil
fourré
aplati, dont la conception relève plus d'une chimère que d'une divulgation
industrielle.
Le document FR-2.610.331 de la demanderesse décrit un fil fourré
comprenant une zone axiale contenant une première matière pulvérulente ou
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granulaire, entourée d'une paroi tubulaire métallique intermédiaire, et une
zone
annulaire, comprise entre cette paroi intermédiaire et l'enveloppe du fil
fourré,
cette zone annulaire contenant une deuxième matière pulvérulente ou
granulaire. La zone axiale contient avantageusement les matières les plus
réactives vis à vis du bain à traiter.
Tant que l'enveloppe externe métallique de ce fil fourré n'est pas
détruite, la matière qui remplit la zone annulaire joue le rôle de calorifuge
qui
réduit la montée en température de la paroi intermédiaire, réduisant ainsi les
risques de flexion du fil qui l'empêcherait de s'enfoncer dans le bain, la
paroi
intermédiaire conservant une certaine rigidité.
Le document US-3.921.700 décrit un fil fourré à envelopper en acier,
contenant un fil axial en magnésium et une poudre de fer, de faible
conductivité thermique et de grande capacité calorifique, formant ainsi
isolant
thermique protégeant le magnésium d'un échauffement trop rapide lorsque le
fil fourré est plongé dans l'acier liquide. En variante, du graphite ou du
carbone
est mélangé à la poudre de fer.
Parmi les problèmes techniques posés par l'utilisation des fils fourrés,
plusieurs découlent de ce qu il est pratiquement impossible de déterminer ce
qu il se passe effectivement pour ce fil, lorsqu il est plongé dans le bain de
métal liquide, tel qu'une poche d'acier à 1600 C. En particulier, les
questions
suivantes sont délicates : quelle est la forme du fil dans le bain (droit,
courbé
en U), à quelle profondeur est-il détruit par fusion. On ne trouve à ce sujet
que
des informations parcellaires et parfois contradictoires, dans l'art
antérieur.
Ainsi, le document FR-2.384.029 décrit un fil d'inoculation comprenant
une enveloppe en acier gainant un composé de ferrosilicium en poudre tassée,
à plus de 65% en poids de silicium. Selon ce document antérieur, le silicium
diffuse vers l'enveloppe en acier du fil, lors de son introduction dans le
métal
liquide, de sorte que :
- la température de fusion de l inoculant contenu dans le fil va baisser ;
- la température de fusion de l'acier de la gaine de fil va baisser ;
le carbone diffusant au travers de la surface extérieure de la gaine de fil.
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Selon ce document antérieur, un fil fourré comprenant une gaine en
acier doux (température de fusion 1538 C) contenant un ferrosilicium à 75% de
silicium (température de fusion 1300 C) va fondre vers 1200 C lorsque plongé
par exemple dans une fonte grise à 1400 C, cette fusion partant de la partie
interne de la gaine, du fait de la diffusion du silicium dans la gaine qui
abaisse
la température de fusion de l'acier doux.
Le document US-4.174.962 mentionne, en plus de cette diffusion de
silicium, une dissolution de la paroi externe de la gaine de fil fourré, par
érosion
et diffusion, même si la température de fusion de la gaine est supérieure à la
température du bain de métal liquide.
Le document US-4.297.133 décrit un tube en papier enroulé en couches,
ce tube étant fermé par des opercules métalliques. Le temps de combustion du
papier est indiqué comme étant de trois secondes lorsque le tube est placé
dans un bain d'acier liquide à 1600-1700 C.
La demanderesse a elle-même décrit, dans les publications FR-2.821.626
et FR-2.810.919 des fils fourrés comprenant des enveloppes qui, combustibles
sans laisser de résidus gênants, retardent momentanément la propagation de la
chaleur vers le coeur du fil, ces enveloppes étant en papier dit pour
application
pyrotechnique, combustible et isolant thermique.
Selon ces deux documents antérieurs de la demanderesse, en
augmentant le nombre de couches de papier, on retarde l'explosion du fil
fourré
contenant du calcium, ou la vaporisation de ce calcium et on parvient à
introduire ainsi le fil fourré à profondeur suffisante dans le bain de métal
liquide
pour éviter une réaction en surface du bain de l'additif contenu dans le fil
avec
les risques qui en découleraient : oxydation et/ou rénitruration du bain,
projection de métal liquide, émanations de fumées, rendement très faible de
l'opération d "introduction d'additifs par fil fourré.
Selon ces deux documents antérieurs, la combustion lente du papier dit
pyrotechnique ne provoque pas l'apparition de résidus de combustion affectant
la composition du bain de métal liquide et ne produit pas d'inclusions
modifiant
le comportement du bain lors de la coulée. Dans la réalisation décrite par le
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document FR-2.821.626, au dessus de cette enveloppe en papier pyrotechnique
brûlant sans laisser de traces nuisibles dans le bain de métal liquide, une
protection métallique est placée afin d'éviter que les couches de papier
pyrotechnique ne s'abîment lors de l'enroulement sur le touret du fil fourré
ou
lorsque le fil fourré est déroulé de ce touret.
La demanderesse a été perplexe en constatant que les fils fourrés décrits
dans les documents FR-2.821.626 ou FR-2.810.919 ne donnaient pas toujours
un rendement très supérieur aux fils fourrés dépourvus de bandes de papier
enroulées en hélice.
La demanderesse s'est attachée à résoudre ce problème technique, en
fournissant, de plus, un fil fourré dont la durée de vie dans le bain de métal
liquide, soit augmentée, par rapport aux fils conventionnels, de sorte à
atteindre une profondeur prédéterminée dans le bain de métal liquide.
La demanderesse, après des essais complexes et longs, a découvert
notamment :
1) qu'il était important d'éviter toute combustion des enroulements de
papier décrits dans les documents FR-2.821.626 et FR-2.810.919, avant
entrée du fil fourré dans le bain de métal liquide (zone de libre parcours
du fil fourré) ;
2) des moyens pour éviter cette combustion ;
3) que le gain en durée de vie du fil fourré, était assuré lorsque la
combustion du papier n'intervenait pas avant l'entrée du fil fourré dans le
bain de métal liquide, le papier ne devant pas nécessairement être
pyrotechnique, ou classé Ml, ou à résistance à l'inflammation élevée,
contrairement à ce qui est indiqué dans FR-2.821.626 ou FR-2.810.919,
le papier ne brûlant pas dans le bain de métal liquide, mais se pyrolysant
pour se transformer en une matière dont les propriétés thermophysiques
sont à ce jour inconnues de la demanderesse, cette pyrolyse n'étant
obtenue que par le respect de certaines mesures qui seront détaillées
dans la suite.
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La demanderesse a ainsi découvert des moyens peu coûteux et sûrs
d'augmenter la durée de vie des fils fourrés dans les bains de métal liquide,
ces
moyens étant compatibles avec toutes les structures décrites antérieurement
pour les fils fourrés, ces moyens apportant ainsi un effet technique
avantageux
supplémentaire à chacun des avantages individuels des différents types de fils
fourrés antérieurs.
L invention se rapporte donc selon un premier aspect, à un fil
fourré, comprenant au moins une couche barrière thermique, ladite couche
étant réalisée en un matériau pyrolysant lors du contact avec un bain de métal
tel qu'acier liquide.
Selon diverses réalisations, le fil fourré comprend les caractères suivants,
le cas échéant combinés :
- il comprend une couche barrière thermique externe, enveloppant une
gaine métallique, ladite couche barrière thermique externe étant réalisée
en un matériau pyrolysant lors du contact avec un bain de métal
liquide ;
- le matériau pyrolysant est un papier kraft, un papier aluminisé ou un
multicouches comprenant au moins une bande de papier kraft et au
moins une couche de papier aluminisé ;
- le matériau pyrolysant est recouvert d'une feuille métallique mince ;
- la feuille métallique mince est en aluminium ou alliage d'aluminium ;
- le matériau pyrolysant présente une conductivité thermique comprise
entre 0,15 et 4 W/m.K, avant pyrolyse ;
- le matériau pyrolysant présente une épaisseur radiale comprise entre
0,025 mm et 0,8 mm, avant pyrolyse ;
- le matériau pyrolysant présente une température de début de pyrolyse
de l'ordre de 500 C ;
- le matériau pyrolysant est chargé d'eau ou d'un composé chimique à
chaleur latente de vaporisation élevée, notamment supérieure à 2
MJ/kg ;
- le matériau pyrolysant comprend une couche de papier humidifiée ;
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- le matériau pyrolysant est fixé par collage à une gaine métallique interne
au fil fourré ;
- le matériau pyrolysant est placé entre une gaine métallique Interne au fil
et une enveloppe externe métallique ;
- l'enveloppe externe métallique est agrafée, le matériau pyrolysant étant
placé, dans la bande d'agrafage, en interposition, de sorte à empêcher
tout contact direct métal/métal dans la bande d'agrafage ;
- la gaine métallique interne est d'épaisseur radiale comprise entre 0,2 et
0,6 mm environ, l'enveloppe externe métallique étant d'épaisseur radiale
comprise entre 0,2 et 0,6 mm environ ;
- le matériau pyrolysant est un papier kraft en mono ou multicouches,
d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,8 mm ;
- le fil fourré comprend, en poudre ou en grains compactés ou noyés dans
une résine, au moins un matériau choisi parmi le groupe constitué de Ca,
Bi, Nb, Mg, CaSi, C, Mn, Si, Cr, Ti, B, S, Se, Te, Pb, CaC2, Na2CO3,
CaCO3, CaO, MgO, terres rares.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la
description suivante de modes de réalisation, description qui va être
effectuée
en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation du principe d'introduction du fil fourré
dans un bain d'acier liquide ;
- les figures 2 à 12 sont des courbes température fonction du temps,
issues de simulation numérique ;
les figures 13 à 21 sont des courbes température fonction du temps,
issues de campagnes d'essais menées par la demanderesse.
On se rapporte tout d'abord à la figure 1, qui est une représentation du
principe d'introduction d'un fil fourré dans une poche d'acier liquide.
Le fil fourré 1 est extrait d'une cage 2 tel que, par exemple, décrit dans
le document FR-2.703.334 de la demanderesse, ou bien encore extrait d'un
touret 3, et introduit dans un injecteur 4.
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Cet injecteur 4 entraîne le fil dans un tube guide coudé 5, le fil fourré
sortant de ce tube guide 5 à une hauteur de l'ordre de un mètre à un mètre
quarante au dessus de la surface du bain d'acier liquide 6 contenu dans une
poche 7.
Le fil fourré 1 se trouve donc placé dans trois milieux thermiquement très
différents :
- un premier milieu dans lequel le fil fourré est logé à l'intérieur du tube
de
guidage ;
- un deuxième milieu situé au dessus du bain d'acier liquide dans lequel le
fil fourré est placé en contact direct avec l'atmosphère environnante ;
- un troisième milieu qui est le bain d'acier ou de métal liquide lui-même.
La demanderesse a souhaité, dans un premier temps, simuler
thermiquement le parcours du fil fourré afin de limiter le nombre d'essais
avec
fil fourré instrumenté.
Pour cette modélisation, les échanges radiatifs tridimensionnels entre
surface plane, opaque, grise et diffuse ont été simulés par calcul des
facteurs
de forme et facteurs de transfert.
Les facteurs de forme ont été calculés par la méthode des flux plans, les
facteurs de transfert étant calculés par la méthode des revêtements prenant en
compte les multi-réflections diffuses.
A l'intérieur du tuyau de guidage, le flux reçu est supposé radiatif
provenant du tube enveloppant le fil fourré avec un facteur de forme égal à 1.
Pour le parcours libre du fil fourré après la sortie du tube de guidage 5 et
avant l'entrée dans le bain de métal liquide 6, le flux est considéré radiatif
mais
provenant du bain de métal liquide 6 et des parois de la poche 7.
A l'intérieur du bain de métal liquide 6, le transfert est considéré comme
convectif avec un coefficient d'échange de l'ordre 50.000 W/m2K, la
température de surface étant imposée.
L'émissivité totale de la surface extérieure du fil fourré est considérée
égale à 0,8, celle du tube de guidage est égale à 1 tandis que celle du bain
est
considérée égale à 0,8.
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Le flux thermique radiatif échangé, conformément à la loi de STEFAN-
BOLTZMANN est de la forme :
4=&xFxax(T41-T42)
avec :
4 flux thermique échangé entre les deux surfaces en W/m2
c coefficient tenant compte des émissivités des deux surfaces,
F facteur de forme prenant en compte les surfaces, les formes et
l'orientation des deux surfaces l'une par rapport à l'autre,
a constante de STEFAN-BOLTZMANN égale à 5,67 x 10-8 W/m2K
Ti et T2 températures absolues en Kelvin des deux surfaces avec Ti
supérieur à T2.
La figure 2 donne la variation du facteur de transfert entre le fil fourré
et le bain de métal liquide (s x F) en fonction de la distance au dessus de ce
bain de métal liquide, la valeur zéro sur l'axe des abscisses correspondant à
la
surface du bain de métal liquide.
Le fil fourré est considéré comme comprenant trois couches cylindriques
concentriques, à savoir une âme de calcium gainée d'acier, cette gaine d'acier
étant recouverte de papier.
Pour la simulation numérique, le diamètre de l'âme en calcium est de 7,8
mm, l'épaisseur de la gaine d'acier est de 0,6 mm tandis que l'épaisseur du
papier peut être fixée à différentes valeurs, par exemple 0,6 mm pour huit
couches de papier superposées.
Pour la simulation, le fil fourré est considéré comme étant formé d'une
âme pleine en calcium emboîtée et en contact avec la gaine en acier elle-même
emboîtée et en contact avec le papier.
Le tube de guidage 5 est représenté par un cylindre creux en acier de
température constante, donnant une énergie au fil fourré pendant le temps Ti,
tel que:
Ti = L1/V où
Li est la longueur du tube de guidage 5 et,
V est la vitesse de passage du fil fourré dans le tube 5
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Le bain de métal liquide et les parois de la poche 7 sont représentés
dans le modèle numérique par un volume de température égal à 16000 avec
rayonnement et convection vers le fil fourré selon que le fil se trouve au
dessus
du bain 6 ou dans ce bain de métal liquide 6.
L'échange de chaleur est convectif avec un coefficient d'échange très
élevé (50.000 W/m2K) à partir du temps T2 où le fil fourré entre dans le bain
de
métal liquide 6.
T2 est calculé de la manière suivante :
T2=Li+L2/Voù :
L2 est la distance entre la partie extrême inférieure du tube de guidage
et la surface du bain de métal liquide 6.
La vitesse de défilement du fil fourré est égale à 2m/s, la température
initiale du fil fourré étant de 50 C.
Le parcours libre du fil fourré au delà du tube de guidage 5 et avant
introduction dans le bain de métal liquide est considéré comme d'une longueur
égale à 1,4 m.
Le fil est considéré comme détruit lorsque, par calcul, la surface de l'âme
en calcium présente une température supérieure à 1400 C.
Ainsi qu'il apparaît en figure 3, la modélisation indique que, pour un fil de
référence dépourvu de protection thermique, la température de surface de
l'âme en calcium augmente de 70 C seulement pendant le parcours libre et
qu'elle atteint le seuil de 1400 C en 0,15 s soit après un parcours à
l'intérieur
du bain de métal liquide de 30 cm seulement pour une vitesse de 2m/s.
Le gradient de température entre la gaine en acier et l'âme en calcium
ne dépasse pas, par calcul, 65 C.
Ainsi, lorsque la température de la surface de l'âme en calcium est de
1400 C, celle de la surface extérieure de la gaine en acier est de 1465 C, de
sorte que la gaine en acier ne fond pas avant la destruction du fil fourré, la
chaleur latente de fusion de cette gaine en acier n'étant donc pas prise en
compte dans la simulation numérique.
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La figure 4 donne quatre courbes d'évolution de température de la
surface de l'âme en calcium d'un fil fourré en fonction du temps, chacune de
ces quatre courbes correspondant à une épaisseur de papier de protection
différente à savoir :
0,025 mm pour la courbe 4a,
0,05 mm pour la courbe 4b,
0,1 mm pour la courbe 4c,
0,6 mm pour la courbe 4d
La comparaison des figures 3 et 4 montre, par simulation numérique, un
effet protecteur du papier entourant la gaine d'acier, cet effet étant
d'autant
plus marqué que l'épaisseur du papier est importante.
Les courbes représentées en figure 4 ont été obtenues en considérant
que les couches de papier restent intactes, sans combustion.
Selon cette hypothèse, une isolation d'épaisseur 0,025 mm suffirait pour
protéger le fil fourré jusqu'au fond du bain de métal liquide.
Mais la température de combustion du papier se situe aux environs de
550 C.
Une étude de la montée en température de la surface du papier dans le
parcours libre a été effectuée en négligeant l'effet de la convection par
rapport
au rayonnement, qui est de fait prépondérant.
En figure 5 est représentée l'évolution des températures de surface du
papier en fonction de la conductivité de ce papier, au cours de la première
seconde de parcours libre du fil fourré, l'épaisseur du papier étant de 0,6
mm,
la vitesse de défilement du fil fourré étant de 2m/s.
La courbe 5a correspond à une conductivité de 0,1 W/K.m, la courbe 5b
correspond à une conductivité de 0,15 W/K.m et la courbe Sc correspond à une
conductivité de 0,2 W/K.m.
La figure 5 montre que la combustion du papier est probable et la
destruction du papier dans le parcours libre du fil fourré n'est pas exclue.
La figure 6 représente l'évolution de la température de la surface du
papier pour une conductivité thermique de ce papier de 0,15 W/K.m, une
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vitesse d'injection du fil fourré de 2m/s, l'épaisseur du papier étant en
courbe
6a de 0,6 mm, en courbe 6b de 0,2 mm et en courbe 6c de 0,1 mm.
Cette figure 6 suggère qu'en diminuant l'épaisseur du papier, la
température de surface de ce papier diminue et donc le risque de combustion
de ce papier lors du parcours libre du fil fourré au dessus du bain de métal
liquide.
Ainsi que le sait l'homme du métier, la surface du bain de métal liquide
tel que l'acier est recouverte d'une couche de laitier qui forme écran
thermique,
la figure 7 montre que la température du papier recouvrant le fil fourré est
largement affectée par la variation de la température de la source de
rayonnement.
Les courbes 7a, 7b, 7c et 7d correspondent respectivement à des
températures de surface émettrices de 1500, 1400, 1300 et 1200 C.
Pour la simulation représentée en figure 7, la vitesse d'injection du fil
fourré était de 2m/s et la conductivité thermique du papier de 0,15 W/K.m.
Par ces simulations numériques, confirmées lors d'essais expérimentaux,
la demanderesse a pu faire l'hypothèse que la variabilité des résultats
obtenus
lors de la mise en oeuvre d'une structure telle que décrite dans le document
FR-
2.810.919 résulte d'une combustion du papier lors du parcours libre du fil
fourré
au dessus du bain de métal liquide, ce papier ne jouant plus, dès lors, son
effet
de protection thermique du fil fourré, à l'intérieur du bain d'acier liquide.
La demanderesse a fait l'hypothèse supplémentaire suivante : le papier
ne brûlerait pas à l'intérieur du bain d'acier liquide mais se pyrolyserait.
La demanderesse a alors poursuivi des simulations numériques en
considérant le papier comme un corps ayant deux conductivités thermiques
différentes selon la température :
- une première conductivité qui est celle du papier d'origine (0,15 W/K.m),
cette première conductivité étant maintenue jusqu'à une température de
l'ordre de 500 C de début de pyrolyse ;
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- une deuxième conductivité (300W/K.m), supposée atteinte lorsque la
température du papier pyrolysé est de 600 C, la pyrolyse étant supposée
terminée lorsque cette température de 600 C est atteinte.
Entre 500 et 600 C, le passage de la conductivité de 0,15 W/K.m à 300
W/K.m est supposé linéaire, dans la simulation en fonction de la température.
La figure 8 donne les résultats de la simulation numérique pour la
température de surface du calcium contenu dans le fil fourré, le papier étant
supposé dissous dans le bain de métal liquide, juste après sa pyrolyse.
La courbe 8a correspond au fil fourré conventionnel, sans papier
protecteur.
La courbe 8b correspond à un fil fourré pourvu d'un papier protecteur
d'une épaisseur de 0,6 mm.
La courbe 8c correspond à un fil fourré pourvu d'un papier protecteur sur
une épaisseur de 1,2 mm.
La figure 8 suggère que, s'il y a disparition du papier après sa pyrolyse, il
n'est pas possible de protéger le fil fourré pour qu'il parvienne au fond du
bain
d'acier liquide, même en doublant l'épaisseur du papier.
Or, la demanderesse a constaté, lors d'essais industriels, que le fil fourré
revêtu de papier protecteur atteint parfois le fond du bain.
Il est donc probable que le papier ne disparaît pas après pyrolyse à
l'intérieur du bain d'acier liquide.
Une pyrolyse de papier Kraft a été effectuée en élevant la température
des feuilles de papier, à l'abri de l'oxygène, jusqu'à une température de 600
C
environ et une mesure de la conductivité thermique du papier a été effectuée,
avant et après pyrolyse.
Il ressort de cette étude que la conductivité thermique du papier varie
peu après sa pyrolyse.
La demanderesse a donc repris la simulation numérique en considérant
cette fois-ci, par contraste avec l'hypothèse correspondant à la figure 8, que
le
papier ne disparaît pas après pyrolyse, la conductivité du papier après
pyrolyse
étant considérée comme valant 0,15, 1, 2, 4 W/K.m pour les courbes 9a, 9b,
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9c, 9d respectivement. Cette simulation reflète mieux les résultats d'essais
ainsi
qu'il apparaîtra plus loin.
Afin d'éviter toute combustion du papier enveloppant la gaine d'acier du
fil fourré, la demanderesse a imaginé d'absorber le rayonnement ou de le
réfléchir en humidifiant ce papier ou en le recouvrant d'aluminium.
La figure 10 montre les résultats de la simulation numérique pour les
variations de température de surface du papier en fonction du temps, les
courbes 10a, 10b, 10c, 10d correspondant respectivement à une humidité de
0%, 59%, 89% et 118%.
Pour cette simulation représentée en figure 10, la vitesse d'injection du
fil fourré était de 2m/s, la conductivité thermique du papier étant de 0,15
W/K.m.
La figure 11 donne le résultat du calcul radiatif réalisé en ajoutant une
couche très mince d'aluminium en revêtement du papier enveloppant la gaine
d'acier du fil fourré.
Cette figure 11 montre que le facteur de transfert radiatif est réduit d'un
facteur 8 comparé à celui du papier dont l'émissivité est de 0,8.
La figure 12 permet de comparer les évolutions de température de
surface du papier en fonction du temps avec et sans revêtement d'aluminium,
la vitesse d'injection du fil fourré restant de 2m/s et la conductivité
thermique
du papier étant de 0,15 W/K.m.
La température de surface du papier augmente très peu, selon cette
simulation numérique, dans le parcours libre du fil fourré, l'aluminium
assurant
une protection thermique très efficace pour le papier du fil fourré.
Pour vérifier les hypothèses formulées par la demanderesse au cours des
simulations présentées ci-dessus, des essais ont été réalisés par la
demanderesse à l'aide de fil fourré instrumenté.
Le fil fourré instrumenté est fabriqué entre trois étapes :
- vidage du fil fourré ;
- positionnement de thermo-couples en contact avec la gaine interne en
acier du fil fourré, à l'opposé de la zone d'agrafage ;
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- remplissage du fil fourré avec la poudre.
Les raccordements électriques et fils de branchement des thermo-
couples sont protégés par tube en acier.
Le fil instrumenté est introduit dans une poche d'acier liquide d'aciérie
puis remonté après un temps d'arrêt prédéterminé.
Les bains étant brassés en permanence à l'argon, une ambiance inerte
est créée dans le parcours libre au dessus de la surface du bain d'acier
liquide,
ce qui limite les risques de combustion accidentelle du papier du fil fourré.
Sur les figures 13 à 21, le point I correspond à l'entrée du fil fourré dans
la poche d'acier liquide.
Dans un premier temps, un essai de référence a été réalisé avec un fil
fourré non revêtu de papier, la variation de la température à l'intérieur du
fil
fourré de référence, en fonction du temps, étant donnée en figure 13.
La chute de température au point D de la figure 13 est liée à la
destruction des thermo-couples.
La figure 14 compare les résultats obtenus avec le fil de référence
(référence 14a) et un fil fourré comprenant une couche de papier Kraft placée
entre l'âme de calcium et la gaine en acier (référence 14b).
Au vu de cette figure 14, la mise en place de papier Kraft à l'intérieur du
fil fourré permet de retarder la montée de température de 0,4 seconde soit un
temps total de 0,7 seconde avant destruction.
La figure 15 compare les résultats obtenus avec le fil de référence
(courbe 15a) et deux fils instrumentés pourvus de deux couches de papier Kraft
externes (courbes 15b, 15c).
Le retard de montée en température obtenu est de 0,8 et 1,2 seconde
permettant au fil fourré d'atteindre le fond de la poche.
La montée brutale en température des courbes 15b et 15c correspond au
moment où le papier Kraft est totalement dégradé, la gaine d'acier du fil
fourré
entrant en contact direct avec le bain d'acier liquide.
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La figure 16 permet de comparer les résultats obtenus avec le fil de
référence (courbe 16a) et un fil fourré protégé par deux couches de papier
Kraft et deux couches de papier aluminisé (deux essais courbes 16b et 16c).
Les courbes de la figure 16 montrent que la présence de deux couches
de papier kraft et deux couches de papier aluminisé retardent la montée en
température d'environ 1 seconde, par rapport à un fil de référence
conventionnel.
En figure 17 sont présentés les résultats obtenus avec deux échantillons
protégés par trois couches de papier kraft et deux couches de papier aluminisé
(courbe 17b et 17c) à comparer avec les valeurs du fil de référence (courbe
17a).
La figure 18 permet de comparer les résultats obtenus avec six couches
de papier kraft et deux couches de papier aluminisé (courbes 18b et 18c), à
comparer avec le fil de référence (courbe 18a).
La montée de température est ici retardée de plus de 1,2 secondes.
La courbe 19b de la figure 19 donne les résultats obtenus pour un fil
fourré protégé avec quatre couches de papier kraft et une couche d'aluminium,
le retard de la montée en température étant de 0,6 secondes par rapport au fil
de référence, courbe 19a.
La courbe 20b de la figure 20 donne le résultat obtenu avec un fil fourré
protégé par huit couches de papier kraft et une couche d'aluminium, le retard
de la montée en température étant de 0,8 secondes par rapport au fil de
référence, courbe 20a.
La courbe 20c correspond à un essai dans lequel le fil fourré a plongé
latéralement dans le laitier et n'a pas pénétré dans l'acier fondu, cet essai
donnant Indirectement la température du laitier, soit 1200 C.
Les courbes 21b et c de la figure 21 donnent les résultats obtenus pour
des fils fourrés protégés par deux couches de papier aluminisé, le retard de
la
montée en température étant de 0,7 secondes environ par rapport au fil de
référence, courbe 21a, ces résultats sont à comparer avec ceux de la figure
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Les résultats numériques et expérimentaux qui ont été présentés ci-
dessus en référence aux figures 2 à 12 confirment que les couches de papier
externes à un fil fourré constituent un isolant thermique permettant de
protéger
ces fils fourrés pour des durées se situant entre 0,6 et 1,6 secondes, par
rapport à un fil fourré conventionnel.
La demanderesse a découvert que cet effet de protection est obtenu par
la pyrolyse du papier dans le bain de métal liquide, le papier devant être
protégé de toute combustion notamment au cours de son parcours libre au
dessus du bain de métal liquide, dans la poche.
Les risques de combustion peuvent être limités par injection d'argon au
dessus de la poche de métal liquide ou en imbibant d'eau le papier ou en
recouvrant le papier d'une bande métallique.
Le document FR-2.810.919 de la demanderesse décrit la mise en place
de papier isolant thermique entre une enveloppe extérieure en acier et une
gaine en acier contenant l'additif pulvérulent ou granulaire.
La gaine extérieure en acier est destinée à éviter que, lors des
manipulations du fil fourré, le papier soit abîmé.
La demanderesse a découvert que ces fils dits hybrides tels que décrits
dans le document FR-2.810.919 ne permettaient d'obtenir un retard significatif
à la montée en température que si le papier est présent dans la zone
d'agrafage ou de recouvrement de sorte à éviter tout contact métal/métal dans
la zone d'agrafage, le papier étant pyrolysé dans le bain de métal liquide.
Les travaux expérimentaux ont été réalisés avec le concours d'Armines,
Centre d'Énergétique, Ecole des Mines de Paris.
