CA1154967A - Procede de decarburation des fontes au chrome - Google Patents

Abstract

: Procédé de décarburation des fontes au chrome qui permet, en une seule opération, au moyen d'un jet d'oxygène d'obtenir directement des aciers au chrome ou au chrome nickel dont la décarburation peut facilement être achevée par un traitement final sous vide effectué immédiatement après l'injection d'oxygène. Le procédé consiste à ajuster les conditions de température du bain de fonte et à régler le jet d'oxygène en distance et vitesse, de façon à permettre la création d'une émulsion gaz/métal au sein de laquelle le carbone contenu dans la fonte est oxyde directement par l'oxygène. La teneur en carbone est ainsi rapidement abaissée jusque au-dessous de 0,3 % tandis que le rendement en chrome est de l'ordre de 98 %. Le procédé s'applique à la préparation de toutes les nuances d'aciers inoxydables au Cr et au NiCr, comportant ou non des additions de Co, Mn ou Mo.

Description

Le procede qui fait l'objet de l'invention concerne la decarburation des fontes au chrome ou au chrome nickel, contenant c~e llordre de 1,5 a 8 % en poids de carbone, de 10 a 30 % de Cr, jusqu'a 30 ~ de Ni, et eventuellement des additions de Co, Mn et Mo.
On connait de nombreux procédés permettant de realiser la decarbuxation des fontes par action de l'oxygène, seul ou en melange avec d'autres gaz, a la pression atmosphérique, ou sous pression réduite. L'oxyg~ne ou le mélange gazeux peut être mis en contact avec le metal liquide par exemple par injection par le fond d'un convertisseur, ou bien, au contraire, etre apporte en surface au-dessus du niveau du metal.
En particulier, dans le procéde LD, la fonte à decar~
burer est traitee dans un convertisseur vertical au moyen d'une lance disposee au-dessus du niveau de la fonte liquide. Cette lance envoie un jet d'oxygène qui frappe la surface du bain métallique liquide.
Les etudes faites récemment sur ce procédé permettent de mieux comprendre l'action du jet d'oxygène sur le bain métal-lique et le laitier qui le recouvre.
Ainsi, l'article ae J. SCHOOP, W. RESCH et G . MAHN:Il Reactions occuring during the oxygen top blown process and calculation of metallurgical control parameters". (Ironmaking and steelmaking, 1978, n~ 2, pages 72-7g) décrit le mécanisme de la déphosphoration et de la decarburation d'une fonte par le procédé LD appliqué a un convertisseur de 200 T. Cet article montre que, dans ce procede, les reactions entre lloxygene et le metal liquide ont lieu principalement grâce à la présence de gouttelettes de metal liquide dans le laitier. Le debit de metal liquide projeté en gouttelettes à travers le laitier est fonction de la force d'impact du jet d'oxygene sur le metal liquide. Ce debit de métal peut atteindre et même depasser - 1-- ~j une tonne par seconde. Dans ces conditions, on multiplie par 100 les surfaces de contact entre le metal liquide et le laitier.
Il ~ a formation d~une veritable emulsion entre le metal liquide, le laitier et le melange gazeux, dont le volume depend non seu-lement de la force d'impact du jet d'oxygène mais aussi des caracteristiques de fluidite du laitier. Selon cet article, pour des forces d'impact faibles, le phosphore est enlevé pré-férentiellement; au contraire, pour de grandes forces d'impact, c'est le carbone qui est enlevé préférentiellement.
Les analyses effectuées ont montré que, dans les conditions favorables à la déphosphoration, la teneur en P des gouttelettes est 100 fois plus faible que celle du bain metal-lique. Un accroissement de la force d'impact du jet d'oxygene sur le bain metallique favorise la réaction de decarburation car il entralne un accroissement du débit de gouttelettes projetees qui peut alors depasser, comme on l'a dit plus haut, la tonne par seconde. La decarburation très rapide qui a lieu alors est favorisee par l'éclatement des gouttelettes métalliques ~ui résulte de la formation des bulles de CO.
L'article de A. C~ATTERJEE, N.O. LINDFORS e J.A.
WEST~R: " Process metallurgy of LD steelmaking" (Ironmaking and Steelmaking (1976~ n~ 1) decrit plus particulierement le processus de decarburation des fontes dans le procede LD. Il montre clairement que le jet d'oxygene, supersonique à la sortie de la tuyère, provoque par son impact une emulsion entre le métal liquide, le laitier et une très importante phase gazeuse conte-nant en proportions variables l'oxygène et les oxydes de carbone.
Le volume de l'emulsion depend beaucoup de la viscosite du lai-tier. Les laitiers riches en FeO, tres fluides, donnent lieu ~
la formation d'emulsions dont le volume atteint 3 à 4 fois celui du metal liquide en ~in de soufflage. Au sein de l'emulsion, la decarburation des gouttelettes de metal liquide est causee 3~
par deux processus concurrents: l'oxydation du carbone par l'oxygene contenu dans la phase gazeuse et l'oxydation du car-bone par le FeO contenu dans le laitier.
Ce procede developpe initialement pour la decarbu-ration des fontes ordinaires a eté utilise pour le traitement des ~ontes au chrome, par exemple de la fason decrite dans llarticle cle CARLSON et SHAW: " Stainless steel by B~F Process".
(Iron and Steel Eng., Août 1972, pages 53-~8). Cet article montre qu'une ~onte synthétique au Cr, obtenue par mélange de fonte d'acier ordinaire et de ferrochrome carburé, contenant environ 4 ~ de carbone et environ 15 à 16 ~ de chrome, est decarburée par insufflation d'oxygene jusqu'~ une teneur finale en C de 0,05 %. En fin de décarburation la temperature dépasse 1900~C. Dans ce procedé, il se forme, principalement au début du soufflage, des quantités importantes d'oxydes de Cr et de Fe, par action de l'oxygène sur la fonte, qui passent dans le laitier. Lorsque la concentration de ces oxydes dans le laitier devient suffisamment élevée, ils réagissent à leur tour sur le carbone contenu dans le bain métallique et le CO formé se degage. Une partie de l'oxyde de chrome forme au debut de la reactio~ est entralnee par les gaz chauds sous la ~orme de poussieres. Une autre partie reste dans le laitier et peut, au cours d'une operation ulterieure de reduction par silico-thermie, etre réduite et recuperee.
Il s'agit donc d'un procede comportant plusieurs étapes qui necessite un retraitement relativement coûteux du laitier pour récupérer une partie du chrome, pax ailleurs, l'oxyde de chrome entralne dans les ~az chauds est difficilement récupérable. De plus, dans ce procédé, la présence nécessaire d'un laitier riche en oxyde de Cr pour realiser la decarbura-tion, ne présente pas que des avantages. En effet, ce laitier reduit l'efficacite de l'impact du jet d'oxygène sur le bain g67 metallique et, donc, ralentit le brassage de celui-ci. Il en resulte que la décarburation est freinee et que, au con-traire, les pertes en Cr par oxydation s'accroissent.
On a recherche la possibilite d'accélérer la decar-buration des fontes au chrome, en realisant la décarburation directe de ses fontes par l'oxygene, et en évitant au maximum d'utiliser, pour decarburer, le contact entre la fonte et un laitier riche en Cr2O3, lequel conduit a des pertes de Cr2O3 soit dans le laitier lui même, soit par entralnement dans les fumées.
La presente invention consiste en un procedé de dé-carburation d'une fonte au chrome contenant: C 1,5 a 8 ~, Cr 10 à 30 %, Ni 0 à 30 %, Co + Mn + Mo 0 à 20 %, Si~ 4 % et les impuretés habituelles, au moyen d'un jet d'oxygène, comportant une zone supersonique, qui est dirigé vers la surface de la fonte liquide, caractérisé en ce que au moins la phase finale de la décarburation, qui débute à partir d'une teneur en carbone CD/n, CD étant la teneur en carbone initiale de carbone de la fonte, en poids ~, et n un nombre compris entre 1,5 et ,5 est effectuee par action directe de l'oxygène sur la fonte au sein d'une émulsion gaz/fonte liquide.
De façon plus détailléè, on introduit une fonte liquide contenant C 1,5 ~ 8 %, Cr 10 à 30 ~, Ni 0 ~ 30 %, Co + Mn ~ Mo 0 à 20 %, Si ~4 %, et les impuretés habituelles, dans un con-vertisseur vertical d'un type comparable à ceux utilisés pour la décarburation par le procedé LD.
Ce convertisseur comporte un garnissage basique resistant aux très hautes temperatures. On peut utiliser, en particulier, des briques du type magnesie chrome.
On recouvre le metal d'une quantité limitee d'un laitier à base de chaux.
La décarburation est effectuée par injection d'oxygène ~5~'7 a haute pression au moyen d'une lance qui penetre dans le con vertisseur par la partie superieure. Cette lance comporte une tuyere dite supersonique qui éme , en direction de la surface du bain metallique, un jet dloxygene qui comporte une petite zone dans laquelle la vitesse de ce gaz est effectivement su-personique.
Cette zone s'étend le long de l'axe du jet sur une longueur qui est fonction de la pression dloxygene et du diametre de la tuyère au col, c'est-a-dire a l'endroit o~ son diametre est le plus reduit. Le jet est oriente de fason sensiblement verticale et la distance entre l'extremite de la tuyere et la surface initiale du bain métallique est ajustée à une valeur sensiblement egale a celle atteinte par l'extremite de la zone supersonique du jet d'oxygène. Dans la pratique, la distance lance-bain varie entre 5 et 30 fois le diametre du col de la tu~ère. Par ailleurs, le débit specifique d'oxygène, par tonne de fonte liquide, doit être d'environ 3 Nm3/mn sous une pression variant entre 8 et 12 bars relatifs.
On observe, dans ces conditions, une premiere phase de reaction au cours de laquelle la couche de laitier est pro-gressivement expulsee de la sur~ace du bain par lejet gazeux, e~ meme temps qu'une oxydation rapide des éléments les plus oxydables contenus dans la fonte se produit. Dans cette période, c'est principalement le chrome qui est oxyde. Dans le meme temps, la température du métal s'elève rapidement. Dans une seconde phaser le chrome oxydé à l'amorçage est réduit par le carbone, présent a une teneur encore elevée dans le bain metallique. Au cours de cette periode de reduction de l'oxyde de chrome, la temperature continue a s'elever~ Au-delà d'une temperature d'environ 1700 à 1800~C, une troisième phase de reaction s'amorce, au cours de laquelle l'ebullition provoquee par la reaction de l'oxygène sur le carbone du bain ne se produit ~31 54~67 plus seulement en surface, mais aussi au sein même du bain de fonte. Il se forme alors une emulsion entre la phase gazeuse et le métal liquide dont le niveau s'eleve progressivement et qui vient entourer la lance d'injection. Au sein de cette émulsion, l'oxygène est en contact direct avec le métal liquide pratiquement sans intervention de laitier. On constate dans ces conditions, un processus de decarburation directe extreme-ment rapid~ du metal sans formation intermediaire d'oxyde de chrome. L'émulsion gazlmetal qui s'est formee et dont le niveau est monté au-dessus de la surface initiale du bain metallique joue le rôle d'un filtre qui retient les particules solides d'oxydes de fer, chrome ou autre métal qui pouxraient éventuel-lement se former.
Grace à la mise en contact permanente d'une fraction du volume du metal liquide qui peut largement depasser 25 %, avec la phase gazeuse, l'efficacite de la decarburation est accrue dans de larges proportions. Pour la meme raison, la montee en température du metal liquide est beaucoup plus rapide et, toutes choses egales par ailleurs, on constate qu'il est possible de decarburer une fonte au Cr par ce procede de façon très rapide et avec une vitesse sensiblement constante. Enfin, l'emulsion gaz/metal joue le role de calorifuge et reduit de façon très importante les pertes thermiques.
L'experience a montre qu'il est possible de maintenir de façon stable l'emulsion ~az metal au cours de cette troisième phase de reaction, la decarburation se poursuivant de façon très rapide, et à vitesse sensiblement constante, jusqu'à une teneur finale en carbone proche de 0,2 %. A cet instant, les analyses effectuées ont montre que le rendement en Cr en solution dans le baln métallique, est d'au moins 97 % en poids du Cr contenu dans la fonte introduite initialement dans le convertisseur.
Ce résultat est obtenu sans addition d'un ou plusieurs elements 6~
ou composés reducteurs tel ~ue le silicium ou autres. Il est possible d'abaisser encore davantage cette teneur en carbone en prolongeant le soufflage d'oxygene, mais on obtient a partir de ce moment-la une reoxydation du chrome, la diffusion du carbone limitant la cinetique de reaction. Il est alors bien preferable, si on desire reduire encore la teneur en carbone, de mettre le convertisseur sous pression réduite, par exemple en le recouvrant d'un couvercle etanche, comportant une cana-lisation d'évacuation des gaz reliee à des pompes capables d'abaisser la pression dans le convertisseur jusqu'a des niveaux de l'ordre d'une dizaine de torrs ou un peu moins, avec une eventuelle introduction complementaire d'oxygene et/ou gaz neutre~
Dans bien des cas, la quantite d'oxygène presente dans la fonte et le laitier residuel est suffisante pour oxyder le carbone residuel et on arrive facilement à une teneur finale en carbone inferieure a 0/03 %. Dans ces conditions le rendement global en chrome est excellent et voisin de 98 ~. Comme cela a ete dit plus haut, ce resultat est obtenu sans addition d'un ou plusieurs elements ou composes reducteurs.
L'exemple non limitatif ci-apres decrit un mode de mise en oeuvre de l'invention.
On elabore une fonte ayant la composition suivante:
Cr 17 %, C 6 ~, Si 0,3 ~, Mn 0,3 ~t S 0,03 ~, P <0,03 ~.
On porte à 1430~C une quantité de 60 kg de cette fonte dans un four comportant un chauffage par induction, la surface de la ~onte liquide etant recouverte d'environ 0,5 kg de chaux.
On injecte alors de l'oxygène au moyen d'une lance verticale avec un debit de 168 Nl/mn sous une pression de 9 bars relatifs.
Le diametre au col de la buse est de 2 mm et la distance ver-ticale entre l'extremite de la lance et le bain de 30 mm. L'oxy-gene ainsi injecte entre en réaction avec le bain et on peut 3~5~L9~
observer troi~ phases successives de réaction.
Dans une première phase, l'oxyg~ne réagit principa-lement a la surface du bain de ~onte en oxydant de preference Cr, ~i et Fe; au fur et ~ mesure que les oxydes formes qui contiennent en majeure partie du Cr203 s'accumulent a la surface du bain, une reaction secondaire de reduction de ces oxydes par le carbone s'amorce. La vitesse de cette réaction de reduction s'accrolt peu a peu en meme temps que la temperature s'elève environ 1650~C vers la dixiame minute. Le CO formé se degage pendant ce temps et brule en donnant des flammes.
Dans une deuxième phase, à partir de la onzième minute, la reduction des oxydes principalement de l'o~yde de chrome par le carbone devient plus rapide que la formation de ces oxydes. Dans cette periode de vive reaction, la temperature s'elève encore, de façon cependant moins rapide. A partir de la quinzieme minute environ, la vitesse de decarburation se stabilise: la teneur en carbone qui est alors d'environ ~ ~
va continuer a decroltre au rythme d'a peu près 0,3 % par minute et en meme temps on observera une reduction correspondante de l'ox~de de chrome. Ce mécanisme va se poursuivre jusq~le vers la vingti8me minute; la tempexature du bain atteint alors environ 1750~C tandis que la teneur en C s'est abaissee a environ 2,9 ~.
A la ~in de cette deu~i~me phase, les oxydes metalliques formes initialement sont presque completement réduits.
Vers la 20eme minute, les conditions sont réunies pour le demarrage d'une troisieme phase qui permettra d'abaisser la teneur en carbone au-dessous de 0,3 % et pratiquement jusque vers 0,2 ~. Au debut de cette troisième phase, la temperature du bain de fonte est tres elevée. Dans ces conditions, en main-tenant inchangées les conditions de débit d'oxygène et de dis-tance entre l'extremite de la lance et le bain de fonte, on observe la ~ormation, à partir du bain de ~onte lui-même, d'une émulsion entre gaz et ~onte, qul recouvre rapidement la surface du bain, puis se developpe en epaisseur jusqu'~ doubler le volume initial de la fonte. Tout se passe comme si la fonte elle-même, sous l'ac-tion du jet d'oxygene et de la formation de CO, par reac-tion directe de l'oxygène avec le carbone con-tenu dans cette fonte, entrait en ébullition dans toute sa masse, grace aux conditions physico-chimiques réalisées. Au sein de l'émulsion ainsi ~ormée, les vitesses de réaction sont élevées ce qui permet la poursuite de la décarburation à un lQ rythme rapide jusqu'~ une teneur finale en carbone d'environ 0,2 ~ qui est atteinte à la 29eme minute. La température est alors de 1860~C environ et on arrëte le soufflage d'oxygène.
A ce stade les analyses effectuees montrent que le rendement en Cr est de 97,5 % en poids.
La decarburation finale est ensuite effectuée, de façon connue par mise sous ~ide du four au moyen de pompes permettant d'atteindre une pression residuelle d'environ 2 torr en une vingtaine de minutes. Au cours de cette opération, la teneur en carbone est abaissée jusque vers 0,02 %, unique-ment grâce a l'oxygene present dans la fonte liquide et lelaitier residuel. A l'issue de cet essai, on constate que le rendement en chrome est de 98 %.
Etant donné la faible quantite de fonte mise en oeuvre dans cet essai, il est nécessaire de compenser les pertes thermiques trop importantes. Pour cela on maintient pendant toute la duree de l'opération un chauffage d'appoint par induc-tion, a puissance sensiblement constante, de façon a compenser au mieu~ les pertes thermiques. Un tel chauffage d'appoint n'est rendu nécessaire que par l'échelle réduite de l'essai.
Il est evident qu'à l'échelle industrielle, ce chauffage serait superflu.
Parmi les conditions qui favorisent la formation de 6~
l'emulsion entre la phase ga~euse et la fonte au chrome liquide, on a constate qu'il était important, pour pouvoir declencher la formation de l'emulsion gaz/métal, que la temperature initiale du bain métallique satisfasse l'inegalite TD + 65 CD ~ 1740.
Dans cette relation:
= temperature initiale de la fonte au chrome en degres Celsius, à l'instant du début du soufflage d'oxygène.
CD= teneur initiale en carbone de la fonte en % en poids.
On vait que, si la teneur en carbone de la fonte au chrome est de 6 %, la temperature de celle-ci doit etre supe-rieure à 1740 - 390 = 1350~C au moment du debut du soufflage de l'oxygène. L'experience a montre que plus la temperature reelle est ele~ee par rapport à la valeur critique ainsi deter-minee, plus les conditions favorables à l'etablissement d'une emulsion entre phase gazeuse et metal liquide apparaltront tôt, au cours du processus de decarburation. Ceci veut dire que la - durée des deux premi~res phases du processus de décarburation, au cours desquelles l'élimination du carbone se fait principale-ment par reduction des oxydes metalliques formes, sera d'autant plus reduite au profit de la troisième phase de decarburation directe de la fonte liquide, grâce a la formation d'une emulsion gaz/métal.
Il convient de remarquer que le procéde peut s'ap-pliquer non seulement à des fontes au Cr sans autres additions importantes, mais aussi à des fontes au Cr comportant des ad-ditions d'autres métaux tels que Ni, Co, Mn ou Mo. Il est donc possible d'obtenir directement par ce procede, à partir d'une fonte au Cr ou au NiCr, ayant subi des additions con~ena-bles, des aciers inoxydables ~erritiques, semi-ferritiques, austenitiques ou austénoferritiques~
L'expérience a montré qu'un des facteurs importants qui garantissent la tenue de la tuyere d'injection d'oxygène ~5~
~ l'interieur du convertisseur est l'auto-garnissage qui se forme à la surface de ~ette tuyère pendant l'operation. Cette tuy~re est, de preférence~ en cuivre refroidi par circulation d'eau et sa surface se recouvre par projection d'une couche d'oxydes très refractaires. Cette couche joue le double rôle de calorifuge et de protection d~ la tuyere contre les risques de percee et donc de fuite d'eau.

Claims (4)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de décarburation d'une fonte en chrome contenant: C 1,5 à 8 %, Cr 10 à 30 %, Ni 0 à 30 %, Co + Mn + Mo 0 à 20 %, Si <4 % et les impuretés habituelles, au moyen d'un jet d'oxygène, comportant une zone supersonique, qui est dirigé
vers la surface de la fonte liquide, caractérisé en ce que au moins la phase finale de la décarburation, qui débute à partir d'une teneur en carbone CD/n, CD étant la teneur en carbone initiale et n un nombre compris entre 1,5 et 2,5 est effectuée par action directe de l'oxygène sur la fonte au sein d'une émulsion gaz/fonte liquide.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que la décarburation par action directe de l'oxygène sur la fonte liquide est poursuivie jusqu'à une teneur en carbone inférieure à 0,3 %.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que on obtient un rendement en Cr d'au moins 97 % sans addition d'éléments ou de composés réducteurs.

4. Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, afin de permettre la formation de l'émulsion gaz/fonte liquide, la teneur en carbone de la fonte et sa température doivent satisfaire l'inégalité TD + 65 CD? 1740, TD étant la température initiale en degrés Celsius de la fonte à l'instant du début du soufflage d'oxygène et CD étant la teneur initiale en carbone de la fonte.