Procédé de brassage en poche d'acier à l'aide d'anhydride carbonique

Abstract

 La présente invention concerne un procédé de brassage en poche d'un acier calmé, à l'aide d'anhydride carbonique gazeux.
Avant que ne débute le brassage dans la poche, on ajoute à la quantité habituellement utilisée de désoxydant, une quantité supplémentaire de désoxydant dans le métal fondu, le débit d'anhydride carbonique, compte tenu de la capacité de la poche et de la durée de brassage restant inférieur ou égal au débit maximal correspondant à l'oxydation de la quantité supplémentaire de désoxydant en fin de brassage.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de brassage en poche d'un acier, dans lequel on injecte dans un bain d'acier fondu un gaz inerte, cette injection étant réalisée de sorte que des bulles de gaz montent à travers au moins une partie du bain de métal fondu et viennent éclater à la surface de celui-ci, de manière à créer une mise en mouvement du métal fondu lors de la montée du gaz, ledit bain d'acier ayant été au préalable calmé pour incorporation d'un désoxydant en quantité suffisante pour qu'un excédent de celui-ci reste à l'état dissous dans le bain.

[0002] Afin d'améliorer la productivité et la qualité, les aciéristes ont développé la métallurgie dite secondaire ou métallurgie en poche. Le but essentiel de cette métallurgie est la maîtrise thermique et la maîtrise analytique du métal. Au niveau de la maîtrise thermique, le brassage permet le refroidissement et l'homogénéisation. Au niveau de la maîtrise analytique, le brassage permet de réaliser l'homogénéisation, la mise à nuance de l'acier, la désoxydation, le contrôle de la propreté du métal, le contrôle des inclusions, la désulfuration, la déphosphoration, etc... On a également constaté que l'utilisation d'arcs électriques pour réaliser le réchauffage en poche par exemple, ou du vide pour réaliser le dégazage dans cette même poche était améliorée par un brassage du métal. Parmi les différents modes de brassage utilisés, le brassage par injection de gaz est très employé car il ne demande que peu d'investissement et est très simple d'utilisation.

[0003] Avant brassage, l'acier effervescent est calmé par incorporation de désoxydant tel que l'aluminium et/ou le silicium, permetta d'éliminer ou de réduire l'oxygène résiduel présent dans le bain d'acier. Afin de maintenir une teneur en oxygène dissous dans l'acier compatible avec les conditions de coulée, on incorpore généralement un excédent de désoxydant dans le bain d'acier. Cet excédent de désoxydant est généralement inférieur à 1500ppm, et de préférence compris entre 100 et 500 ppm pour l'aluminium et entre 200 et 1000 ppm par le silicium. Suivant la nuance désirée de l'acier, la teneur en désoxydant dissous est fixée et contrôlée à environ ± 20 ppm.

[0004] Le brassage correspond à une mise en mouvement par entrainement du métal lors de la montée du gaz. L'intensité du brassage est caractérisée par une grandeur physique correspondant à la puissance par tonne de métal.

[0005] Il est connu d'utiliser des gaz neutres tels que l'argon, ou l'azote, pour réaliser la brassage dans une poche. Dans un certain nombre d'applications, l'azote ne peut être utilisé car on recherche la réalisation d'acier ayant une basse teneur en azote. Jusqu'à présent, seul l'argon pouvait être utilisé pour la brassage gazeux des poches lorsqu'on désire en particulier obtenir des aciers à faible teneur en azote. Toutefois, l'utilisation l'argon est quelquefois limitée par des contraintes d'ordre économique compte tenu du coût élevé de ce gaz.

[0006] On a donc recherché s'il était possible d'utiliser un autre gaz pour réaliser ce brassage, qui présente un comportement sensiblement inerte vis à vis de l'acier tout en étant économique lors de son utilisation.

[0007] A priori, l'homme de métier a tendance à écarter la possiblité d'utiliser l'anhydride carbonique gazeux pour réaliser un brassage en poche car il est connu de l'article intitulé "Emprego de CO₂ na Descarburaçao do Aco em Formo Elétrico - Renato Augusto Barbosa da Silva - Getulio Sergio da Silva - METALURGIA - vol. 28 - N° 172 - MARCO, 1972" que l'anhydride carbonique à la température d'un bain d'acier fondu c'est à dire de l'ordre de 1.600°C se décompose en oxygène et monoxyde de carbone qui ont un comportement oxydant vis à vis de l'acier.

[0008] De manière inattendue, on a constaté qu'il était possible d'utiliser l'anhydride carbonique pour réaliser le brassage dans une poche d'un acier calmé, malgré le caractère oxydant de l'anhydride carbonique dans les conditions d'utilisation, tout en réalisant un brassage de manière économique.

[0009] Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que, avant que ne débute le brassage dans la poche, on ajoute à l'éxcédent de désoxydant une quantité supplémentaire de désoxydant dans le bain de métal fondu et en ce que l'on réalise ensuite le brassage du métal fondu par injection d'anhydride carbonique sous forme gazeuse, le débit d'anhydride carbonique sous forme gazeuse, compte tenu de la capacité de la poche et de la durée de brassage, restant inférieure ou égal au débit maximal correspondant à l'oxydation de la quantité supplémentaire de désoxydant. De préférence, la quantité supplémentaire de désoxydant sera inférieure ou égale à 10% de l'excédent de désoxydant. On a constaté que cette valeur de 10% était la valeur maximale permettant de contrôler la teneur en désoxydant de l'acier selon la nuance prédéterminée. Le débit d'anhydride carbonique par tonne d'acier brassé est généralement inférieur ou égal à 10 litres par mn.

[0010] Des études approfondies ont permis de mettre en évidence les facteurs qui influencent la perte en désoxydant lors du brassage, ce désoxydant étant généralement très réactif vis à vis de l'oxyde de fer qui entoure les bulles de gaz, entrainant ainsi la formation d'oxydes. Or, les désoxydants ont un coût très élevé et l'un des buts de l'invention est d'injecter l'anhydride carbonique selon certaines conditions de manière à réaliser un brassage du métal fondu engendrant une perte de désoxydant dont le coût reste inférieur à l'économie réalisée par l'utilisation d'anydride carbonique, de coût plus faible que l'argon. De plus, on constate que, de manière inattendue, bien que l'on produise des oxydes dans le métal lors du brassage avec l'anhydride carbonique, ceux-ci n'entraînent pas de détérioration de la propreté du produit fini.

[0011] Ainsi, on a pu montrer l'importance des paramètres suivants lors du brassage d'un acier par un gaz : la nature de l'acier brassé, c'est à dire la composition visée à la fin du brassage, la nature et la quantité de désoxydant utilisé, en début de brassage ainsi que la quantité de désoxydant demandée à la coulée après traitement en poche, les dimensions de la poche (hauteur, diamètre) et la quantité de métal traité, le type d'injecteur de gaz utilisé et ses caractéristiques hydrauliques, le gaz utilisé, le débit injecté ainsi que la durée du traitement.

[0012] La quantité supplémentaire de désoxydants à ajouter dans l'acier avant brassage doit pouvoir être déterminée en fonction de la géométrie de la poche, de la durée de brassage dans cette poche et du débit d'anhydride carbonique utilisé.

[0013] Selon une première variante préférentielle de réalisation du procédé de l'invention, dans lequel on utilise une lance pour injecter l'anhydride carbonique gazeux dans le bain, le procédé est caractérisé en ce que le débit Q d'anhydride carbonique gazeux est tel que la relation suivante est vérifiée :





relation dans laquelle :
B est le rapport entre la longueur de lance immergée dans le bain et la hauteur de métal dans la poche,
Q est le débit d'anhydride carbonique en litre par minute,
W est la capacité de la poche en tonne,
t est le temps de brassage en minute.

[0014] Dans ce cas, la quantité supplémentaire m_sup. (exprimée en kg) de désoxydant à ajouter dans la poche avant brassage est inférieure ou égale à :





Do étant la teneur visée en désoxydant en fin de brassage exprimée en %, R étant le rendement d'addition du désoxydant de calmage exprimé en %, B étant le rapport entre la profondeur immergée de la lance et la hauteur de métal,
Q étant le débit en d'anhydride carbonique en litre par minute,
W étant la capacité de la poche en tonne,
t étant le temps de brassage en minute.

[0015] Selon un deuxième mode préférentiel de réalisation de l'invention, dans lequel on utilise un bouchon poreux pour injecter l'anhydride carbonique gazeux dans le bain de métal fondu, le procédé est caractérisé en ce que le débit Q d'anhydride carbonique est tel que la relation suivante est vérifiée :

Q⁰ʼ²⁵ x W⁻⁰ʼ⁶⁴ x S ⁰ʼ³³ x t ≦ 10

formule danslaquelle :
- Q est le débit de gaz injecté en l/mn
- W est la capacité de la poche en tonne
- S est la surface active du bouchon en contact avec l'acier en cm²
- t est le temps de brassage en minute.

[0016] Dans le cas d'un bouchon poreux, la quantité supplémentaire m_sup de désoxydant à rajouter dans le bain de métal fondu est égale à :





formule dans laquelle :
Do est la teneur visée en désoxydant en fin de brassage exprimée en %,
R est le rendement d'addition du désoxydant de calmage exprimé en %,
Q est le débit d'anhydride carbonique exprimé en litre/minute,
W est la capacité de la poche en tonnes,
t est le temps de brassage en minute,
S est la surface active du bouchon poreux en contact avec l'acier exprimée en cm².

[0017] Selon un troisième mode préférentiel de réalisation de l'invention, dans lequel on injecte le gaz dans la poche à l'aide d'un injecteur dans lequel le gaz passe par un espace ménagé entre les blocs de réfractaires non poreux, la section de passage du gaz étant controlée soit par des rainures dans les blocs réfractaires soit de manière préférentielle par une série de tubes métalliques de petits diamètres et de section circulaire ou aplatie, le procédé est caractérisé en ce que le débit Q d'anhydride carbonique dans le bain de métal est tel que la relation suivante est vérifiée :

Q⁰ʼ²⁵ x W⁻⁰ʼ⁶⁴ x S ⁰ʼ³³ x t ≦ 7

formule dans laquelle,
Q est le débit d'anhydride carbonique exprimé en litre par minute,
W est la quantité de métal traité dans la poche, exprimée en tonne,
t est le temps de brassage en minute,
S est la section mouillée en cm² qui dans le cas de tubes circulaires est égale à :

tandis que dans le cas de rainures ou de tubes applatis :

S = N x (L + 0,05) x (l + 0,05),

N étant le nombre de passages élémentaires sur un injecteur,
d étant le diamètre intérieur du tube en cours,
L et l étant respectivement la plus grande longueur et la plus grande largeur de la rainure exprimées en cm.

[0018] Dans le cas d'injection à l'aide d'injecteurs tels que définis ci-dessus, la quantité supplémentaire m_sup de désoxydant à rajouter dans le métal fondu est donnée par la même formule que dans le cas de bouchons poreux, la surface S étant alors calculée selon l'une ou l'autre des formules mentionnées ci-dessus.

[0019] L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif :

Exemple 1.

[0020] On réalise un brassage dans une poche de 180 tonnes à l'aide d'une lance, immergée au trois quart de la hauteur du bain d'acier fondu. Ce brassage est effectué à l'aide d'un débit d'anhydride carbonique gazeux de 200 litres par minute pendant 8 minutes. Le rendement d'addition R de l'aluminium est de 50%. La teneur en aluminium visé en fin de brassage est de 0.02%.

[0021] La quantité d'aluminium supplémentaire calculée m_sup est égale à 1,37 kg.

[0022] En ajoutant cette quantité supplémentaire d'aluminium avant le brassage effectué comme indiqué ci-dessus, on vérifie en réalisant une analyse d'un échantillon prélevé en fin de brassage que la teneur en aluminium de l'acier est bien de 0,02% (200ppm).

Exemple 2.

[0023] On réalise la même expérience que dans la cas de l'exemple 1 en utilisant un bouchon poreux placé dans le fond de la poche, dont la surface active est de 190cm².

[0024] La quantité supplémentaire m_sup d'aluminium à ajouter, calculée selon la formule mentionnée plus haut est égale à 1,76 kg.

[0025] En réalisant le brassage selon les indications données ci-dessus en ajoutant avant la début du brassage la quantité de 1.76 kg d'aluminium dans le bain d'acier, on constate par analyse d'un échantillon prélevé dans le bain en fin de brassage que la teneur en aluminium de l'échantillon est bien de 0,02% (200ppm).

Exemple 3.

[0026] On réalise dans les mêmes conditions que précédemment un brassage à l'aide d'un injecteur constitué de tubes de petites diamètres dont le diamètre équivalent ne dépasse pas 3 mm. On utilise une section égale à 0,7 cm².

[0027] La quantité d'aluminium m_sup à ajouter, calculée selon la formule mentionnée ci-dessus est de 1,27 kg. En réalisant le brassage selon les indications données ci-dessus, on vérifie qu'un échantillon prélevé en fin de brassage contient bien une teneur en aluminium égale à 0,02% (200ppm).

[0028] D'une manière générale, on notera qu'au cours du traitement du métal dans la poche selon le procédé décrit ci-dessus, il peut s'avérer préférable ou nécessaire de réaliser un inertage de la surface du bain d'acier pendant toute la durée du brassage. En particulier, ceci peut s'avérer nécessaire si l'on veut conserver une faible teneur en azote à l'acier traité. Cet inertage pourra s'effectuer par injection d'argon, d'azote (lorsque celui-ci n'est pas à exclure) ou d'anhydride carbonique au-dessus ou sur la surface du bain. Pour les deux premiers gaz cités, cet inertage peut être effectué à l'aide de gaz ou de liquide. Pour l'anhydride carbonique, cet inertage peut être effectué à l'aide de gaz ou de neige carbonique.

Revendications

1. Procédé de brassage en poche d'un acier calmé, dans lequel on injecte dans un bain d'acier fondu un gaz inerte, cette injection étant réalisée de sorte que les bulles de gaz montent à travers au moins une partie du bain de métal fondu et viennent éclater à la surface de celui-ci, de manière à créer une mise en mouvement du métal fondu lors de la montée du gaz, ledit bain d'acier ayant été au préalable calmé par incorporation d'un désoxydant en quantité suffisante pour qu'un excédent de celui-di reste à l'état dissous dans le bain, caractérisé en ce que, avant que ne débute le brassage dans la poche, on ajoute à l'excédent de désoxydant une quantité supplémentaire de désoxydant dans le bain de métal fondu et en ce que l'on réalise ensuite le brassage du métal fondu par injection d'anhydride carbonique sous forme gazeuse, le débit d'anhydride carbonique sous forme gazeuse, compte tenu de la capacité de la poche, restant inférieur ou égal au débit maximal correspondant à l'oxydation de la quantité supplémentaire de désoxydant.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la quantité supplémentaire de désoxydant est inférieure ou égale à 10% de l'éxcédent de désoxydant dissous.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on utilise une lance pour injecter de l'anhydride carbonique gazeux dans le bain de métal fondu, caractérisé en ce que le débit Q de l'anhydride carbonique gazeux est tel que la relation suivante est vérifiée :





relation dans laquelle :
B est le rapport entre la longueur de lance immergée dans le bain et la hauteur de métal dans la poche,
Q est le débit d'anhydride carbonique en litre par minute,
W est la capacité de la poche en tonne,
t est le temps de brassage en minute.

4. Procédé de brassage en poche selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on utilise un bouchon poreux placé dans la paroi inférieure de la poche pour injecter l'anhydride carbonique gazeux dans le bain, caractérisé en ce que le débit Q d'anhydride carbonique gazeux est tel que la relation suivante est vérifiée :

Q⁰ʼ²⁵ x W⁻⁰ʼ⁶⁴ x S ⁰ʼ³³ x t ≦ 10

formule danslaquelle :
- Q est le débit de gaz injecté en l/mn
- W est la capacité de la poche en tonne
- S est la surface active du bouchon en contact avec l'acier en cm²
- t est le temps de brassage en minute.

5. Procédé de brassage en poche selon la revendication 1 ou 2dans lequel on utilise des injecteurs pour injecter l'anhydride carbonique gazeux dans le bain de métal fondu, caractérisé en ce que le débit Q d'anhydride carbonique gazeux est tel que la relation suivante est vérifiée :

Q⁰ʼ²⁵ x W⁻⁰ʼ⁶⁴ x S ⁰ʼ³³ x t ≦ 7

formule dans laquelle,
Q est le débit d'anhydride carbonique exprimé en litre par minute,
W est la quantité de métal traité dans la poche, exprimée en tonne,
t est le temps de brassage en mn,
S est la section mouillée en cm² qui dans le cas de tubes circulaires est égale à :

tandis que dans le cas de rainures ou de tubes plats :

S = N x (L + 0,05) x (l + 0,05),

N étant le nombre de passages élémentaires sur un injecteur,
d étant le diamètre intérieur du tube en cm,
L et l étant respectivement la plus grande longueur et la plus grande largeur de la rainure exprimées en cm.

6. Procédé de brassage en poche selon la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité supplémentaire de désoxydant m_sup à rajouter est inférieure ou égale à :





Do étant la teneur visée en désoxydant en fin de brassage exprimée en %,
R étant le rendement d'addition de l'aluminium de calmage exprimé en %,
B étant le rapport entre la profondeur immergée de la lance et la hauteur de métal,
Q étant le débit en d'anhydride carbonique en litre par minute,
W étant la capacité de la poche en tonne,
t étant le temps de brassage par minute.

7. Procédé de brassage selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la quantité supplémentaire de désoxydant à rajouter est inférieure ou égale à :





formule dans laquelle :
Do est la teneur visée en désoxydant en fin de brassage exprimée en %,
R est le rendement d'addition du désoxydant de calmage exprimé en %,
Q est le débit d'anhydride carbonique exprimé en litre/minute,
W est la capacité de la poche en tonne,
t est le temps de brassage en minute,
S est la surface active du bouchon poreux en contact avec l'acier exprimée en cm².