Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~l~6~
~ 1 --
La presente invention concerne un procede d'obtention d'un
acier calme à faible teneur en azote par coulée d'un acier effervescent
d'un convertisseur dans une poche, dans lequel on ajoute à l'acier fondu
situe dans la poche, au cours de 1'operation de coulée, notamment des
additifs de calmage de cet acier tels que l'aluminium, et/ou le silicium.
Lors de l'élaboration des metaux, différents constituants du
minerai sont elimines, tandis que de nouveaux corps viennent s'inserer
dans le metal en fusion, en particulier au contact de l'air.
Certains métaux ou alliages de metaux peuvent en particulier,
au cours de leur élaboration, voir leur quantité d'azote augmenter si
l'on ne prend pas de precautions particulières. Tel est le cas, par
exemple, de l'acier lors de sa coulée d'un convertisseur dans une poche
ou plus géneralement un récipient émetteur dans ur. récipient récepteur.
On a constaté que la présence de l'azote dans un acier, sous forme
d'impuret~s interstitielles favorise le durcissement par vieillissement
et amoindrit sa résistance. En particulier, on constate qu'une tole ayant
une teneur en azote trop elevée résiste mal au vieillissem~nt et à la
corrosion après emboutissage profond.
Ur.e premi2re solution à ce problëme a éte proposee dans la
d~mande de brevet japonais no. 75 003069 publiée le 6 j~ ei 1976 sous le
no 51-77.519 au nom de NIPæ~N STEEL CQ~P., deuxieme p~blication no 79 006006
du 23 mars 1979. Pour di~inu2r la teneur en azote dans l'acier! il es,
prcposé dans cette demande japonaise de couler l'acier issue d'un conver-
tisseur où il a été affiné, dans une poche de coulée, préalablement rem-
plie par un gaz non nitruran~, ladi~e pcche ayan~ été obturee au moyen d'un
couvercle en matériau consommable.
Ainsi que le precise cette demande de brevet, le principe
essentiel de ce procédé consiste, avant toute coulee de ~etal, à
substituer ccmplètement à l'air de la poche, un gaz non nitrurant en
injectant ce gaz dans ladite poche et en couvrant cette poche d'un
couvercle, les deux mesures, prises separement, ne ~ermettant pas de
parvenir au but recherche, c'est-à-dire la diminution de la quantite
d'azote absorbe par llacier au cours de cette coulëe en pcche. Selon un
mode de realisation, il est fait utilisation d'anhydride carbonique sous
forme de blocs de glace d'anhydride carbonique ( lldry icel' selon la
terminologie anglo-saxonne) déposés dans le fond de la poche avant la
fermeture de celle-ci par le couvercle.
Plus récemment, les auteurs de cette demande de ~brevet ont
publié un article intitulé : "Conditions de prévention de l'absorption
d'azote au cours de l'élaboration de l'acier" - Y. ABE - Y. KATAYAM~ - Mo
NISHIMURA - T. TAKAHASHI - NIPPON Slk~L CORP. J.S.C. ~Science Council of
Japan) - 21.05.1981 - dans lequel ils précisent l'utilisation de ces
blocs de "glace carbonique" ou carboglace et ses limites. Ainsi, il est
précise que les blocs de glace doivent avoir une taille maximale de
l'ordre de 600 mm de côté pour eviter les projections de metal fondu. De
plus, la taille minimale est de l'ordre de 40 mm, pour éviter une
sublimation totale avant coulee, et infiltration d'air dans la poche. En
pratique, il est recommandé d'utiliser des blocs de 100 à 200 mm de côte.
Par ailleurs, le temps séparant le depôt des blocs dans le recipiPnt
recepteur et la coulee de metal est de l'ordre de une heure.
De ces differentes publications, il apparait ainsi que ce
proc~de consiste à chasser ccmplèten~nt l'air de la poche, tout en
maintenant ~m couvercle au-dessus de celle-ci. L'utilisation de blocs de
gla oe carbonique laisse supposer que, du fait de la sublimation assez
lente de ceux-ci, l'anhydride carbonique gazeux chasse progressivement
l'air de la poche (densite du CO2 plus elevée que celle de l'air), ce qui
n'aurait vraisemblablement pas ete le cas si la sublimation de
1'anhydride carbonique avait éte rapide, engendrant des courants de gaz
dans la poche et maintenant ainsi un melange d'anhydride carbonique et
d'air dans celle-ci.
De plus, il est recommande dans ces dif~rentes publications de
maintenir des blocs de glace c æbonique à la surfaoe du metal liquide
dans la poche, tout au long de la coulee de celui-ci.
A la suite de differentes experimentations, la Demanderesse a
constate que le procede decrit ci-dessus comportait un certain ncmbre
d'inconvenients.
Tout d'abord, la presence nécessaire d'un couvercle
consommable, sans lesquels les résultats annoncés ne peuvent être obtenus
alourdit les co~ts de fabrication (matière et main d'oeuvre
supplementaires). De plus, l'operateur doit ajuster le jet de m~etal
liquide sur la zone de moindre resistan oe du couvercle.
Par ailleurs, l'utilisation de blocs de glace nécessite de
nombreuses manipulations (decoupage des blocs, conditionnement,
-
~1 2 ~ ) L~ f~
~ 3
'
:
approvisionnement, manutention, etc...~ allant à l'encontre d'une
simplicite siderurgique.
On a egalement constate que la protection du jet de coulee
etait generalement inefficace du fait de la presence d'un melange air et
d'anhydride carbonique gazeux, phencmène aggrave par les gradients de
temperature dans la poche. Enfin, si l'on suit l'enseignement du brevet,
c'est-à-dire le maintien de blocs de glace carbonique à la surface du
metal liquide dans la poche, le procede est particulierement dangereux.
En effet, on constate des explosions dans le metal en fusion, dues ~ la
sublimation de 1'anhydride carbonique sous les blocs, formant ainsi des
poches de gaz venant eclater à la surface, induisant des projections de
metal en fusion. Le couvercle en materiau consommable n'est pas suffisant
pour eviter les projections de metal fondu creant de plus des entrees
d'air dans la poche, ce qui va ~ l'encontre du but recherche.
Il est egalement connu du brevet belge 677958 d'ajouter de
l'anhydride carbonique CO2, en particulier sous forme de neige carbonique
dans le fond de la lingotière avant la coulee d'acier effervescent à
partir d'une poche dans celle-ci et sur la surface du metal liquide
pendant le remplissage de la lingotiere. L'acier effervescent, c'est à
dire l'acier contenant une grande quantite d'oxygène dissous, a le grand
avantage de do~ner des lingots dont la surfaoe au contact de la
lingotière est parfaitement exempte de dechets. Ainsi l'anhydride
carbonique, dans les conditions cperatoires decrites dans ce brevet æ
; decompose en oxygène et en monoxyde carbone qui brule au contact de l'air
~; tandis que l'oxygène permet d'intensifier le phen~mène d'effervescence
recherche.
Contrairement à l'enseignement de ce brevet belge, le procede
selon l'invention permet d'utiliser l'anhydride carbonique sous forme de
neige carbonique pour proteger la surface du bain d'acier de manière à
cbtenir à la fois une faible quantite d'oxygène dissous dans l'acier,
après calmage, ainsi qu'une faible quantite d'azote, tout en evitant les
inconvenients mentionnes plus haut. Le procede d'obtention d'acier calme
à partir d'acier effervescent selon l'invention est caràcterise en ce que
l'on coule l'acier effervescent dans la poche en quantite suffisante pour
permettre l'introduction des additifs de calmage et en ce que quelques
instants avant l'intrcduction de ces additifs de calmage, on injecte de
l'snhydride carbonique sous for~e de neige csrbonique, au voisinage du
` . . .
.: .
~26~30~
pied du jet de coulee et à la surface du bain d'acier dans la poche, en
quantite suffisante pour proteger la surface du metal fondu de l'air
environnant d~s l'introduction des additifs de calmage dans la poche.
On a en effet constate que, si la presence de neige carbonique
aux environs du pied du jet de coulee n'avait pas d'incidence sur la
reprise d'azote p æ l'acier effervescent , par contre dès l'introduction
des additifs de calmage tels que l'aluminium, le silicium, etc..~, la
presence d'anhydride car~onique au pied du jet et à la surface du bain
d'acier, permettrait d'eviter la renitruration de l'acier calm~ sans
qu'il soit necessaire de proceder ccmme dans le brevet japonais mentionne
ci-dessus, ce qui serait, d'ailleurs, impossible De plus on constate que
le procede tel qu'expose ci-dessus permet, de manière inattendue de
dim muer les pertes en aluminium dissous dans l'acier de l'ordre de 25 %,
ce qui permet d'ameliorer la rentabilite du procede puisque la quantite
d'aluminium necessaire au calmage est ainsi diminuee. De plus, ce
procede est éconamique par rapport au procede decrit dans le brevet
japonais susmentiorne, car l'introduction d'ar~ydride carbonique est plus
tardive, donc moins consommatrice d'anhydride carbonique.
En règle generale, on constate que la masse volumique de la
neige carbonique utilisee ~masse volumique des particules solides de
cette neige carbonique) doit être inférieure ou égale à 1,1 kg/dm3.
En pratique, la neige carbonique qui convient pour la mise en
oeuvre de l'invention est une neige produite par un appareil denomm~
cyclone. Cette neige provient de la detente brutale de l'anhydride
carbonique liquide, géneralement stocke à une temperature de - 20C et
une pression de 20 bars directement dans l'atmosphère, c'est-à-dire à
temperature et pression ambiantes. La neige ainsi formee est utilisee,
telle quelle, generalement sans autre traitement. En pratique, ceci
permet d'avoir le generateur de neige carbonique à proximite du lieu de
coulee et d'injecter cette neige dans la poche par une conduite d'amen~e
reliee au cyclone. L'alimentation continue ou sequentielle peut ainsi
être aisement ccmmandee par l'operateur qui contrôle la coulee de metal.
Genéralement, les quantités de neige carbonique necessaires
varient de 0,2 ~ 5 kg par tonne de metal coulé.
Concernant l'introduction de la neige carbonique dans la poche,
l'homme de l'art sait, d'une manière generale, que la coulee d'un
convertisseur dans une poche a une duree tl, qui varie en fonction de
l'erosion du trou de coulee du convertisseur. Par contre, la duree
necessaire à l'introduction et à la dissolution des additifs de calmage a
une valeur fixe t2 pour un volume donne. Dans ces conditions, l'homme de
metier introduira la neige au plus tard à l'instant t3, à partir du debut
de la coulee, egal à tl - t2.
Bien entendu, ce procede s'applique de preference pour la
protection du jet de coulee entre le convertisseur et la poche mais peut
egalement s'appliquer pour la coulee d'une première poche dans une
seconde poche ou dans un repartiteur de coulee continue, ainsi que du
repartiteur dans les lingotières, etc...
L'invention sera mieux ccmprise à 1'aide des exemples de
realisation suivants, donnes à titre non limitatif, conjointement avec
les figures qui representent :
- la figure 1, une vue en coupe de la coulee d'acier effervescent d'un
convertisseur dans une poche utilisant le procede selon l'invention ;
- la figure 2, une varianbe de realisation du procede de la figure 1,
comportant une alimentation in situ en neige carbonique.
- la figure 3, une vue schematique d'une installation de coulee utilisant
le procede selon l'invention.
Sur la figure 1, l'acier effervescent 1 se trouve dans le
convertisseur 2 sous l'orifice 3 duquel est amenee la poche 4.
Lor~que la poche est partiellement remplie, on injecte une
quantite predéterminee de neige carbonique avant d'ajouter les additifs
de calmage tels que l'aluminium ou le silicium ainsi que les additifs
(si nécessaires) tels que les silico manganese, ferrovanadium,
ferromanganèse carburé, ferronéQbium, carbone sous ~or~e de carburite,
etc... additifs bien connus pour donner les proprietes et les nuanoes
voulues aux aciers. Le métal liquide S sublime immédiatement la neige
carbonique présente dans la zone du pied de jet 6, et dans la zone située
au-dessus de la nappe de metal liquide 7, créant ainsi une nappe 8 de gaz
carbonique, surmontée d'une nappe 9 d'air. L'ensemble metal liquide 7 et
nappe de gaz carbonique ~plus lourd que l'air) forment ainsi un piston,
au fur et à mesure de la montee du niveau de liquide, qui chasse l'air de
la poche, le pied de jet etant ainsi constamment prob~ge.
La figure 2 montre une variante de la figure 1, dans laguelle
la neige carbonique est injectee dans la poche juste avant l'addition
des additifs de calmage (continuement ou sequentiellement~,à l'aide d'une
~ .
alimentation 10, d'une part reliee au reservoir 12 de CO2 liquide et
d'autre part raccordée à la poche 4 par la vanne de détente ll.
La neige 14 se repand sur l'ensemble du metal liquide. Pour cela, on
peut pr~voir une alimentation symetrique, en plusieurs points.
L'alimentation continue ou sequentielle à l'aide du reservoir
12 permet d'engendrer par detente du 2 liquide, environ 40 % de solide
et 53 % de gaz. Ce dernier permet de diluer l'atmosphère de la
poche et ameliore la protection du jet de coulée. Par ailleurs, ce gaz,
plus lourd que l'air, se rechauffe au contact du métal liquide avant
d'être entra~ne vers la surface dudit métal, evitant ainsi un
refroidissement trop important du métal.
La figure 3 represente une vue simplifiée de mise en oeuvre du
procédé selon l'invention. Une poche réceptrice 32 est placée sous le
convertisseur 30 contenant l'acier 31 en fusion, cette poche etant
supportee par un chariot 33 se déplaçant sur les rails 34, 35.
Au mame niveau que ceux-ci est placé un réservoir 36 de gaz carbomque
liquide 50. Ce reservoir est protége par une cloison pare feu 37. Le gaz
carbonique liquide est envoyé (par des moyens non représentes sur les
figures) via la canalisation 38 à un appareil 41 de faorication de neige
carbonique dénommé carbocyclone, tels que ceux vendus par la societé
CARDOX.
La canalisation 38 se termune par deux buses schematisees en 39
orientées ~ 180 l'une de l'autre, jouant le rBle d'orifices de detente à
température et pressior~ ambiante de l'anhydride carbonique stocke à
environ -20C et 20 bars dans le reservoir 36. Cette detente dans le cône
40 oriente vers le bas, provoque l'apparition de neige carbonique qui
vient se stocker dans la benne 42 posée sur la balance 43. Lorsque la
quantité voulue est stockee dans la benne, l'injection est stoppee et la
benne est déplacee sur le plancher de coulee 51 situe au niveau du
convertisseur, au-dessus de la poche. Par l'ouverture 52 dans le plancher
51, o~ verse la neige de la benne 42 dans la poche 32, quelques instants
avant l'adjonction des additifs de calmage.
A l'aide d'un tel dispositif, connaiss ant la prcduction
horaire du carbocyclone, il est aise de produire la quantite de neige en
temps voulu, afin d'etre pr8t lorsque la quantité d'acier coulé dans la
poQhe est jug8e suffisante. En pratique, an carbocyclone à de~it
instantane de neige d~ 1200 kg/heure convient parfaitement pour alimenter
une acierie.
EXEMPLE 1 :
On coule d'un convertisseur dans une poche de 1 tonne un acier
effervescent comportant 1,5 % de carbone, 10 % de ch mme, 0,09 ~ de
silicium, 0,08 % de manganese, 0,012 % de soufre et 0,011 % de phosphore.
Lorsque la poche est remplie au tiers de sa hauteur environ
avant l'operation de calmage, on injecte de la neige carbonique provenant
de la detente brutale ~ temperature ambiante d'anhydride carbonique
liquide stocké à - 20C et 20 bars. La yuantite utilisee etait d'environ
1 kg. Quelques secondes après avoir terminé l'injection de neige dans la
pcche, portee à environ 900C, on ajoute les additifs notamment d
calmage de l'acier et l'on continue la coulée jusqu'au remplissage
co~plet de la poche qui s'effectue en environ 1 minute.
On prelève un echantillon de l'acier liquide dans le
convertisseur avant coulee et dans la poche après coulée.
On effectue la même op~ration, dans les m~mes conditions sans
utilisation de la neige carbonique, que l'on appellera coulee de
reference et l'on prelève les echantillons de la meme maniere.
Les resultats obtenus sont les suivants :
: : Concentration en : Concentration en : ~ariation
: : azote dans l'echan-: azote dans l'echan-: de concen-
: : tillon convertis- : tillon poche : tration
: : seur (ppm) : (ppm) : (ppm)
:
--- - --, .
Coulee de 105,65 : 157,9 : + 52,25
r~ference
: : : : : :
Coulée selon 70 89,15 : + 19,15
l'invention
.
~L~30'~
Par rapport à la coulee de reference, la renitruration de la
coulee selon l'invention a diminue de 37 ~.
Il est à noter que la concentration initiale en azote dans la
poche n'est pas la me^me dans les deux cas, car il est impossible d'avoir
les memes concentrations initiales en azote pour deux fusions successives
realisees dans les memes conditions. Par contre, la Demanderesse a
verifie que la diminution de la renitruration ne dependait pas de la
concentration initiale en azote.
EXEMPLE 2
-
On opère dans des conditions semblables à celle de l'e~emple 1
mais avec une poche recevant 6 tonnes d'un acier effervescent cQmportant
de 0,2 ~ 0,3 % de carbone, de 0,6 à 0,7 % de manganèse et de 0,2 à 0,7 ~
de silicium~ On coule l'acier dans la poche jusqu'au tiers environ de sa
hauteur. On injecte alors environ S kg de neige bonique (en une ou
plusieurs fois jus~u'à la fin de la coulee). Puis on introduit les
additifs de calmage de l'acier, de mani~re connue en soi.
Les resultats obtenus sont les suivants :
,, . . . ,__
Concentration en Concentration en Variation
: : azote dans l'échan-: azote dans l'echan-: de concen- :
tillon conver~ tillon poche :tration
:: tisseur Ippm) :(ppm) :(ppmJ
Coulee de t = 0 78 . = 25
reférence 53 t = ~ 5' 86 = 33
. t = + 10' ~7 . = 34
Coulee selon t = 0 60 . = 19
l'invention 41 t = + 5' 60 . = l9
t = + 10' 60 = 19
,
; .
:
s
~'' ' .
La renitrutation a d D ué de 40 %.
Du tableau ci-dessus, on constate deux effets de la neige
carbonique :
- diminution de l'absorption d'azote pendant la coulee
- diminution de l'absorption d'azote après la coulée pendant au moins dix
minutes.
Exemple 3 : Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 2, on
coule un acier effervescent de composition suivante :
C : 0,26 ~ Ald : 0,08 N : 0,004 à 0,0111 %
Mn : 0,70 % P : 0,022
Si : 0,27 % S : 0,015
Comme précédement, cet acier est calme à l'aluminium, la neige carbonique
ayant éte injectee juste avant l'introduction de l'aluminium. Les
resultats suivants montrent une amelioration sensible de la renitruration
et de la réoxydation (diminution des pertes en aluminium dissous):
: Sans CO2 : Avec C02 : Avec CO2
: : : 2,3 kg/tonne : 0,4 kg/tonne
:
: Pertes Al : 25,5 X 10 % : 20,5 X 10 ~ : 17 X 10 % :
: dissous
:
~ : Renitruration : 32 ppm : 21 pp.m : 29 pFm
.~L X ~i ~3 C) L~ ~ ~
Ce tableau montre également que l'on peut moduler la quantite
de neige carbonique introduite suivant le resultat que l'on vise à
obtenir: on mettra plus de neige carbonique/par tonne si l'on veut eviter
le plus possible la renitruration, tout en evitant la reoxydation, tandis
que l'adjonction dlune faible quantite de C02/tonne de métal dIminue, de
maniere inattendue, la reoxydation, tout en diminuant egalement la
renitruration.
La protection de la coulee à l'aide de neige carbonique apporte une
reduction de la perte en aluminium dissous dans l'acier de 25 %. Ceci
montre en particulier l'effet d'inertage de l'anhydride carbonique
utilise dans les oonditions mentionnees plus haut : si celui-ci etait
oxydant par rapport à l'air, la perte en aluminium dissous serait tres
importante et en tout état de cause bien superieure à oelle constatee
sans protection C02.
