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Procédé pour la fabrication d'acier Thomas à faible teneur en phosphore
On sait que, dans le procédé de fabrication d'acier au convertisseur Thomas, l'élimination du phosphore résulte de la ¯ ' formation, à la surface du bain, d'une scorie constituée par la chaux ajoutée au bain, et par l'acide phosphorique et d'autres oxydes, en particulier des oxydes de fer, résultant du soufflage.
Pour l'obtention d'acier Thomas à faible teneur en phosphore (0.025% environ), la demanderesse a décrit dans son brevet français N 810*871 du 21 juillet 1936 un procédé particulier de déphosphoration en deux phases, dans chacune des- quelles on ajoute certaines quantités déterminées de chaux, et on effectue un soufflage. Dand la première phase, le soufflage détermine successivement la combustion du silicium, puis du carè bone, du phosphore et une oxydation partielle du fer et la tempes
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rature du bain s'élève. On élimine la scorie formée au contact de la chaux. Dans la seconde phase, on ajoute une nouvelle quan- tité de chaux pour l'élimination d'une nouvelle quantité de phosphore, on effectue un nouveau soufflage.
La nouvelle addi- tion de chaux et dè vent de soufflage introduits pour réaliser les oxydations nécessaires à la formation de la deuxième scorie entraînent toutefois un certain refroidissement; or, il peut y avoir intérêt, notamment lorsqu'on veut laisser repo- ser le métal avant la coulée pour décanter les impuretés, ou lorsqu'on veut couler lentement, à obtenir un acier -affiné de haute température.
Il est d'autre part connu d'effectuer la déphosphora- tion dans la seconde phase à l'aide d'un laitier basique oxy- dant et fondu, dit "deuxième laitier", et de procéder en pré- sence de ce laitier à un soufflage destiné à provoquer entre le laitier et le métal à traiter un brassage intense, conduisant pratiquement à un équilibre chimique total entre laitier et métal.
Lorsque, dans l'un de ces procédés en deux phases, on veut obtenir des aciers durs de qualité à faible teneur en phosphore, on doit renoncer à utiliser des fontes recarburan- tes ordinaires, car celles-oi sont toujours trop phosphoreuses et il ne serait pas possible d'éliminer le phosphore en les in- troduisant à la fin de la seconderphase. Si, d'ailleurs, en vue de cette élimination du phosphore on opérait l'addition à la fin de la première phase, le carbone serait brûlé lors du soufflage dans la seconde phase et l'addition recarburante serait/par suite inopérante.
La présente invention a pour objet un procédé économique de déphosphoration, permettant d'atteindre, si besoin est, une température élevée à la fin de l'option, tout en obtenant une teneur en phosphore de 0.025% au plus, qu'il s'agisse d'aciers doux ou d'aciers carburés, en particulier des rails, l'acier final présentant un degré d'oxyda-
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tion extrêmement réduit et possédant d'excellentes qualités.-
Ce procédé est caractérisé par les dispositions suivantes.
On procède à une première déphosphoration suivant le procédé
Thomas habituel, la teneur en P de l'aoier pouvant n'tre abaissée qu'entre 0.2 et 0.06% par exemple ; on élimine, aussi complètement que possible, la scorie résultant de cette première déphosphoration, on verse ensuite, à la surface du bain et dans une proportion convenable, une scorie basique oxydée très chaude et fluide. On assure un bon ,contact superficiel de cette scorie avec la surface du bain par un léger basculement du convertisseur, en laissant tout juste assez de vent pour éviter le bouchage des trous, et en prenant des précautions pour qu'il ne se produise pas de brassage appréciable du bain.
On sèche la scorie par jet de chaux, après en avoir prélevé immédiatement une fraction si elle est en quantité trop importante et l'on procède enfin à la coulée avec barrages en effectuant les additions usuel les.
Le procédé suivant l'invention diffère des procédés déjà connus par le fait que, non seulement on n'atteint pas l'équilibre total entre métal et laitier, mais on s'efforce au contraire d'éviter un brassage intense qui serait susceptible de conduire à cet équilibre;
L'expérience a montré en effet qu'en ayant recours simplement à un contact très court comme décrit ci-dessus et à condition d'employer un laitier de composition convena- ble et en quantité suffisante, on réalise simultanément l'obtention d'une déphosphoration poussée et l'absence pra- tique d'oxydation du métal dans le cas de 1a déphosphoration des aciers doux, ainsi que la possibilité de recarburer l'acier dans le convertisseur, puis d'effectuer, sur cet acier recarburé, la déphosphoration finale.
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Il résulte, en effet, des essais effectués en appliquant le procédé, que l'on obtient une réaction partielle de déphospho- ration, suffisante pour la plupart des cas de la pratique puis- qu'on tombe facilement en dessous de 0,025% de P et, en même temps que l'on évite la diffusion dans le bain métallique de quantités importantes d'O, diffusion qui aurait pour effet un accroissement préjudiciable de la teneur en 0, avec tous les inconvénients qu'elle comporte, en particulier une combustion importante du C dans le cas d'aciers durs.
L'équilibre chimique entre laitier et métal n'est pas atteint.
Cependant, on constate ce fait inattendu que, tandis que la réaction de déphosphoration a le temps, pendant la durée du contact de surface métal-laitier, de se poursuivre jusqu'à un degré suffisant pour la pratique, la diffusion de 1'0 ne s'ef- fectue qu'à un degré beaucoup moindre.
Bien entendu les quantités de laitier à mettre en cause, toutes autres choses égales d'ailleurs, devront être plus grandes que pour des opérations dans lesquelles on recherche l'équilibre.
Grâce au procédé suivant l'invention, l'on peut, en choisissant une fonte Thomas suffisamment riche en éléments thermogènes, obtenir, dans la première phase du traitement, un bain dont la température est relativement élevée et pro- duire, après élimination de la première scorie, une nouvelle déphosphoration par l'addition de la scorie liquide sans abaisser la température du bain. On peut également ajouter au bain, avant l'addition de la scorie liquide, une fonte recarburante même phosphoreuse pourvu que la quantité de sco- rie utilisée soit en rapport avec la teneur moyenne en phos- phore du mélange, et obtenir la deuxième déphosphoration quasi instantanément sans avoir besoin d'un brassage énergique et par suite sans combustion du carbone de reearburation du bain.
On peut donc, grâce au procédé suivant l'inven-
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tion, obtenir au convertisseur des aciers durs déphosphorés,, la recarburation étant obtenue au moyen d'une fonte même phosphorée.
Pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention on procède comme suit.
La fonte liquide étant dans le convertisseur, on procède dtabord de la manière normale, mais à une température qui peut être plus élevée que la normale, et l'on arrête l'opération, ce qui est facile pour un ôpérateur exercé, à une teneur en phosphore suffisamment élevée pour que le bain ne soit pas fortement oxydé. Cette teneuri suivant.la température de la conlée. varie en général entre 0.060%'..et 0,200% et la scorie formée est bien fluide.,
Cette première scorie est évacuée d'autant plus soigneusement que la teneur finale en phosphore rehherchée doit pêtre plus basse.
Simultanément on dispose -d'une- scorie basique oxydée liquide que l'on peut préparer suivant l'un des modes opéra- toires ci-après.
Suivant un premier mode de préparation, on utilise un convertisseur voisin, qui peut être l'un des convertisseurs de service ou un convertisseur de très-petites dimensions réservé à cet usage, dans lequel on forme la scorie basique - oxydée à partir- d'une certaine quantité d'acier non raffiné prélevé sur la coulée précédente. Pour préparer cette scorie, si l'on opère sur un convertisseur de service, on laissera dans l'appa- reil, bien décrassé 'de sa scorie phosphatée une quantité d'acier de l'ordre de I T. au moins, qu'on sursoufflera en' brûlant du fer tout en procédant progressivement à l'addition de chaux granulée de bonne qualité nécessaire pour obtenir en fin de compte une scorie tenant 40 à 45% de chaux.
De plus, cette scorie doit accuser normalement une teneur de 30 à 35% de fer, sous forme d'oxydes, la totalité de l'acier n'étant pas incorporée dans la scorie. Ces teneurs ne sont pas impé-
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ratives, la condition essentielle étant d'avoir une scorie basique et oxydée bien fluide et très chaude. Le soufflage oxydant dont il est question ci-dessus sera effectué très rapidement de telle façon que la durée du, contact du fer oxydé avec le revêtement soit aussi réduite que possible.
Si l'on opère sur un convertisseur de très faibles dimensions la quantité d'acier utilisée pourra être beaucoup plus limitée et approcher davantage la quantité strictement nécessaire à l'obtention de la composition ci-dessus indiquée.
Suivant un deuxième mode de préparation, on prélève la scorie au cours d'une opération dans un four d'affinage d'acier, par exemple Siemens Martin ou four électrique. Dans ce cas, cette scorie pourra être éventuellement corrigée par des additions d'oxydes de fer, de fondants et/ou de chaux ou corps semblables.
Enfin, on peut également utiliser un four spécial à fusion de laitier, ce dernier mode de préparation permettant une souplesse plus grande dans la -composition du laitier à préparer.
La quantité de scorie à mettre en oeuvre, dépend à la fois de la teneur en phosphore dumétal à la fin de la première phase, de la perfection plus ou moins grande du décrassage, de la teneur initiale en P2O5 de la scorie elle- même, de la température et également de la teneur finale en phosphore à atteindre. A titre d'indication, si la scorie a été préparée dans un convertisseur, et contient par exemple 2% de P2O5 et si le métal contient 0,06% de phosphore, la quantité de scorie à mettre en jeu est de l'ordre de 2,5%, après un décrassage effectué normalement,,sans précautions particulières, et pour une température légèrement supérieure à la température usuelle de l'acier Thomas en fin d'opération.
Pour une teneur 'en phosphore de 0,200% du métal à déphosphorer, les autres conditions restant les mêmes, la quantité de scorie à utiliser est del 'ordre de 8%. Dans ces deux cas, la teneur finale en
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pnospnore obtenue est inférieure à 0,025%.
Les pourcentages dé scorie pourront être diminués dans une mesure importante si l'on effectue un décrassage particu- lièrement soigné, si la température est plus basse, si la teneur initiale en P2O5 est très faible - ce que l'on peut obtenir en particulier quand on prépare la scorie dans un four spécial:-
Il convient d'ailleurs de noter qu'inversement, si l'on veut, en même temps qu'une déphosphoration, obtenir une désul- furation appréciable du bain, la proportion de scorie à ajouter devra être plus grande, toutes'autres choses étant égales d'ailleurs.
De même, on pourra faire varier l'addition de scorie ' déphosphorante, ainsi que sa composition, de manière à compen- ser l'action retardatrice de l'élévation de la température par une augmentation de la quantité de scorie par une augmentation de sa basicité ou de sa teneur en fer oxydé.
Dans cet¯ ordre d'idées, il y a lieu de remarquer que l'emploi d'un four pour la préparation du deuxième laitier permet d'obtenir à volonté la composition désirable pour chaque cas particulier et;,donne par conséquent une souplesse supplémentaire dans l'application du procédé. La préparation du laitier dans une cornue Thomas, conduit, en effet, à des compositions d'ailleurs très intéressantes pour la plupart des, cas pratiques, mais qui sont forcément limitée,s dans une certaine mesure par la nature même de l'opération effectuée en cornue.
. On prélève la scorie à haute température formée par l'un des modes de préparation ci-dessus indiqués en évitant soigneusement qu'elle soit accompagnée d'acier, dans une poche de dimensions autant que possible appropriées, revêtue d'un garnissage réfractaire, par exemple à haute teneur en alumine et on la.verse dans le convertisseur sur le bain d'acier décrassé à déphosphorer.
Pour qu'un bon contact superficiel s'établisse entre métalet scorie, on bascula légèrement le convertisseur en donnant le
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vent tout juste nécessaire pour éviter le bouchage des trous du fond. Il importe par contre, qu'il ne se produise pas de bras- sage énergique et prolongé qui, émulsionnant la scorie dans l'acier, pourrait laisser dans ce dernier des quantités impor- tantes d'oxydes de fer. L'activité de la scorie et le contact sur une grande surface, sont suffisants pour que la déphospho- ration soit opérée de façon très rapide pendant le temps très court matériellement nécessaire et suffisant pour effectuer dans les conditions indiquées ci-dessus un seul et léger bascu- lage.
Aussi la décantation de la scorie et son séchage par projection superficielle de chaux granulée peuvent-ils être entrepris immédiatement.
La grande rapidité de l'opération et la chute très prompte d'activité de la scorie due à son refroidissement au contact d'un acier à plus basse température et surtout à son séchage quasi immédiat, conduisent à ceci que, contrairement à l'opinion courante, le métal n'est en pratique qu'extrêmement peu oxydé par son contact avec la scorie d'addition.
C'est d'ailleurs ce qui permet d'opérer des déphospho- rations "au dur", en apportant au bain d'acier doux décrassé, avant traitement à la scorie, une addition de fonte recarburan- te. Celle-ci peut être phosphoreuse peurvu que la quantité de scorie utilisée ensuite soit en rapport avec la teneur mo-renne du mélange en phosphore.
La fonte recarburante doit cependant, pour éviter toute difficulté, être à peu près tota- lement exempte de silicium ; c'est pourquoi, quand on recarbure à la fonte Thomas, il est préférable de prélever, dans un convertisseur voisin, de la fonte dont la combustion du silicium se termine et dont la décarburation n'et pas commencée.
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une rois l'acier, doux ou carburé, déphosphoré comme indiqué cossus, il peut être amené à la teneur voulue en manganèse par les additions usuelles, soit en convertisseur, soit en poche. On constate un rendement excellent.et par suite une faible consommation de ferro-manganèse d'addition.
La scorie légèrement phosphatée, contenant une quantité appréciable de fer qu'il est désirable de récupérer,peut être, ainsi qu'on le verra plus loin, incorporée à la charge sui- vante. Dans ce but, on peut, si elle est en quantité impor- tante, en prélever très rapidement la majeure partie avant séchage, cette fraction enlevée,étant introduite dans la coulée suivante, et retenir, dans le convertisseur la frac- tion restante par un barrage soigné. D'ailleurs, dans la plupart des cas, ce décrassage est inutile, la scorie étant en quantité assez faible pour être convenablement retenue par le barrage.
Lors de la coulée suivante, effectuée sur la scorie qui reste; ouu,a été réintroduite dans le convertisseur, le fer de cette, scorie est régénéré par la fonte et ainsi' récu- péré sans qu'il en résulte un refroidissement appréciable, qu'- il serait au surplus ,facile de' compenser par dosage approprié des riblons.
De même, en ce qui concerne les conditions indiquées plus haut de formation de ladite scorie par soufflage dans un convertisseur toutes les récupérations sont possibles. Si la scorie est préparée dans un convertisseur de service normale l'acier, et éventuellement la scorie en excédent, peuvent être laissés dans l'appareil et sont récupérés dans.. la soûlée suivante effectuée dans cet appareil. Si la scorie est préparée dans un petit convertisseur spécial sur un léger excès seulement d'acier, ce dernier peut, après prélèvement de la scorie, être récupéré par vidage de l'appareil et également rechargé dans un convertisseur sous forme de riblons.
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Le procédé est particulièrement économique dans le cas de préparation de scorie par soufflage car il ne suppose aucun apport dchaleur de l'extérieur et malgré un affinage spécial ne nécessite aucun réchauffage de l'acier. La récupération, d'- une part, de la scorie restant dans le convertisseur, d'autre part, du résidu de la préparation de cette scorie, évite toute perte supplémentaire en fer et, ainsi, le procédé non seulement n'augmente pas la mise au raille, mais ne peut que la diminuer.
D'une façon générale d'ailleurs, le laitier final, s'il n'est pas réincorporé dans une autre opération Thomas, peut être une fois décrassé et mis à part, réutilisé dans toute opération métallurgique admettant, à l'entrée, des matières de cette composition.
De plus, on peut obtenir avec un acier déphosphoré, une température du bain plus élevée que la normale et un acier qui peut être soit un acier doux, soit un acier dur, grâce à la possibilité d'effectuer dans le convertisseur une addition recarburante non nécessairement constituée par une fonte à très faible teneur en phosphore, puisque ce phosphore peut être éliminé par l'action de la scorie liquide ajoutée, et cela sans nouveau soufflage appréciable. Enfin le bain étant garanti contre toute oxydation appréciable, tant au cours de la première déphosphoration, parce que celle-ci est incomplète, qu'au cours de la deuxième, ainsi qu'indiqué plus haut, la consomma- tion totale de Mn peut être notablement réduite.
En effet non seulement le rendement de l'addition manganèse finale est amélioré, mais il est, toutes autres choses égales, possible de traiter sans inconvénient par ce procédé des fontes ayant des teneurs en Mn plus basses que la normale, l'importance du rôle protecteur de cet élément étant réduit du fait de la moindre oxydation finale du bain.