EP1194255B1

EP1194255B1 - Traitement pour ameliorer la coulabilite des aciers calmes a l'aluminium coules en continu

Info

Publication number: EP1194255B1
Application number: EP00915236A
Authority: EP
Inventors: Florence Bertrand; Jean Lehmann; Laurent Sosin
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: ES2191615T3; WO2000062957A1; FR2792234B1; US6685763B1; CA2370437C; EP1194255A1; CA2370437A1; KR20010113797A; DE60001320T2; ATE231758T1; BR0009724A; DE60001320D1; JP2002542034A; AU3661700A; KR100676656B1; FR2792234A1

Description

La présente invention a trait à la coulée continue de l'acier. Elle concerne plus particulièrement la prévention des bouchages de la busette de coulée lors de la coulée de brames, ou de bandes, d'acier calmé, notamment d'acier à bas ou ultra bas carbone (aciers dits UBC ou IFS).
On sait que la coulée continue de demi-produits à large section droite (brames, brames minces, bandes...) impose classiquement l'usage d'une busette immergée pour l'alimentation en métal en fusion de la lingotière de coulée depuis le répartiteur placé au-dessus.
On sait aussi que ces busettes sont sujettes à engraissement conduisant, à plus ou moins long terme, à leur bouchage total et, par conséquent, à l'arrêt immédiat de la coulée en cours.
On rappelle que l'engraissement est un phénomène de rétrécissement progressif, depuis la périphérie vers le centre, du conduit qu'offre la busette au métal liquide pour son passage en lingotière. L'origine de ce phénomène est le dépôt sur la paroi intérieure de la busette de particules solides, que sont les inclusions non métalliques de désoxydation du métal liquide. Ces inclusions sont déjà présentes au sein du bain métallique suite aux traitements métallurgiques subits précédemment par celui-ci, ou se forment lors de la traversée même de la busette, si celle-ci n'est pas suffisamment étanche à l'égard de l'oxygène de l'atmosphère ambiante. Selon les nuances d'acier coulées, ces inclusions non métalliques sont plus ou moins nombreuses, plus ou moins volumineuses, plus ou moins solidifiées à la température du métal en fusion.
Il est connu que des difficultés sérieuses de coulabilité à cet égard peuvent se rencontrer particulièrement dans le cas de la coulée d'aciers bas ou ultra bas carbone (du type IFS par exemple), donc sur des aciers fortement calmés.
Le calmage de ce type d'aciers s'opère classiquement en poche d'affinage par ajout d'aluminium, désoxydant couramment utilisé en sidérurgie. La réaction de désoxydation produit des aluminates qui décantent majoritairement à la surface du bain métallique, en poche d'abord, dans le répartiteur ensuite. Néanmoins, une partie de ces inclusions non métalliques restent inévitablement en suspension au sein de la masse métallique liquide au moment de la coulée. Ce sont en particulier ces particules qui, lors de leur transit dans la busette, s'accrochent à la paroi du tube et, par phénomène d'accrétion au cours du temps, finissent par obturer le passage.
Il est connu de lutter contre ces bouchages en faisant passer un courant de gaz inerte de balayage (de l'argon notamment) dans la busette. Le, ou plus vraisemblablement, les mécanismes par lesquels un tel balayage gazeux lutte contre l'engraissement ne sont pas encore parfaitement élucidés, mais le résultat est généralement plutôt satisfaisant si le bullage est mis en place dès le début de la séquence de coulée. Sinon des amas inclusionnaires peuvent se détacher et venir dramatiquement polluer le métal, faisant de cette pratique un remède alors pire que le mal.
Toutefois, la méthode, même correctement menée, n'est pas sans effets secondaires indésirables. Des défauts de type "boursouflures" sur bandes au cours de laminage ultérieur peuvent apparaître, dont on sait qu'ils résultent d'un phénomène d'emprisonnement de bulles de gaz dans le métal solidifié en lingotière.
Il est également connu de lutter contre les bouchages de la busette au moyen de mesures préventives, dont l'intérêt premier est de pouvoir se passer du "bullage argon". L'une d'entre elles consiste à ajouter au bain métallique avant coulée, donc dans le répartiteur, ou de préférence déjà en poche d'affinage, un fondant, tel que du Ca (par exemple sous forme de Si-Ca ou de Ca-Fe) qui va complexer avec les aluminates de désoxydation pour former des inclusions plus fusibles, qui resteront donc en principe à l'état liquide à la température de coulée. Un traitement préventif de ce type par ajout de calcium est décrit par exemple dans le document EP-A-0 512 118, dont on considérera l'enseignement général comme incorporé au présent mémoire par référence.
Cependant, ce type de traitement chimique du bouchage ne donne pas toujours les résultats escomptés. Il se trouve parfois, en effet, que les inclusions formées même en présence de calcium sont à l'état solide déjà dans le répartiteur, et ce même en cas de coulée avec surchauffe importante du métal.
Le but de l'invention est précisément d'aboutir à une meilleure fluidité des inclusions de désoxydation que l'on a formées par traitement au calcium du bain métallique avant coulée.
A cet effet, l'invention a pour objet un traitement métallurgique en poche d'un acier devant être coulé en continu, selon lequel, à un bain d'acier en fusion ultra bas ou bas carbone, calmé à l'aluminium (ou en cours de calmage) pour atteindre une teneur donnée en oxygène, on ajoute du calcium afin de former des inclusions de désoxydation à point de fusion inférieur à la température de coulée de l'acier en lingotière, caractérisé en ce que, dans la chaîne de traitement qui va de la poche à la lingotière de coulée, on maintient le bain métallique à une teneur en magnésium dissous voisine de 2 ppm au moins, sans excéder la teneur, dépendant de celle en oxygène du bain, au-delà de laquelle des spinelles solides à base de magnésium peuvent se former.
Comme on l'aura compris, à la base de l'invention se trouve la découverte de l'action bénéfique du magnésium en faible quantité sur le maintien en phase liquide des inclusions de désoxydation présentes après calmage ou formées pendant la coulée en présence de calcium. On a pu observer en effet que la présence de magnésium en faible quantité au sein d'un bain métallique traité au calcium (à savoir de l'ordre de 2 ppm de Mg au moins,et pouvant aller jusqu'à 8-10 ppm pour les teneurs d'oxygène que l'on rencontre habituellement dans les aciers bas ou très bas carbone calmés aluminium) influait sur la nature physique de la population inclusionnaire de l'acier coulé: l'élément magnésium élargit notablement le domaine d'existence des aluminates de chaux liquides à la température de coulée de l'acier (1520-1570°C environ). Il doit être souligné également la grande sensibilité d'un tel élargissement à la présence du magnésium même en très faibles quantités, une faible variation d'une très basse teneur en Mg (variation de moins de 1 ppm) pouvant entraîner comme on le verra un élargissement conséquent de la plage de fusibilité.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects apparaîtront au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple en référence à la planche de dessins unique annexée sur laquelle:

la figure 1 est un diagramme de phases montrant les domaines de précipitation inclusionnaire à 1 560°C (température de coulée) dans une nuance d'acier Ultra Bas Carbone en fonction de la teneur en calcium, mise en ordonnées, et en oxygène total (dissous et lié) mise en abscisses, et ce en l'absence de magnésium, autrement qu'à l'état de traces (inférieur à 0.1 ppm).
la figure 2 est un diagramme analogue à celui de la figure 1 montrant la même situation, mais en présence d'une teneur en magnésium du bain métallique à hauteur de 2 ppm.
(Ces deux diagrammes sont enrichis de symboles représentatifs de séquences de coulée pour lesquelles des bouchages ont eu lieu (symboles pleins) ou n'ont pas eu lieu (symboles vides));
la figure 3 est un graphique montrant l'évolution de la teneur maximale permise en magnésium dissous dans le bain d'acier en fusion en fonction de la teneur de ce dernier en oxygène total (dissous et lié), sachant que la teneur en calcium considérée correspond à la valeur minimale requise pour avoir des oxydes liquides sans addition de magnésium.

L'acier UBC considéré ici a la composition pondérale suivante, donnée en millièmes de %, sauf pour l'Azote (N) qui est donnée en ppm:

C Mn P S Al Si Ti Cr Ni N

<5 90-140 5-15 3-10 35-50 10-35 65-75 15-30 20 25-45 ppm
Ce bain d'acier, issu d'un convertisseur à l'oxygène par exemple, subit d'abord un traitement de décarburation "sous vide" dans une station d'affinage (four-poche de mise à la nuance équipé d'une installation de mise sous dépression, ou dans une unité RH). Puis, le bain métallique est calmé par addition d'aluminium. Cet élément est apporté en quantité suffisante pour atteindre les teneurs résiduelles voulues en oxygène total du bain, à savoir, compte tenu du temps nécessaire à la décantation des inclusions d'alumines, de l'ordre de 20 à 30 ppm d'oxygène total (dissous et lié) au niveau du répartiteur, donc juste avant la coulée.
Dans le même temps, ou juste après l'apport d'aluminium, un ajout de calcium est effectué au moyen de l'introduction dans le bain de métal en fusion d'un fil fusible fourré au Si-Ca. Selon les besoins, et compte tenu du faible rendement de dissolution dans le bain d'un élément à forte tension de vapeur de ce type (rendement de l'ordre de 10-15% si l'on opère avec soins), l'apport de Ca est réglé de manière à obtenir une teneur de l'ordre de 25 ppm en Ca total (dissous et lié sous forme d'aluminates et de sulfures).
Quant au magnésium, il peut être introduit à tout moment après désoxydation par l'aluminium, soit séparément, soit simultanément au calcium si celui-ci est apporté après désoxydation.
L'ajout de magnésium en faible quantité conformément à l'invention peut s'opérer en poche, ou éventuellement au répartiteur, à l'aide d'un fil métallique fusible fourré, en un alliage de Ni-Mg par exemple, et qui fond dans le bain d'acier en fusion à mesure qu'on l'y introduit.
La teneur minimale visée de 2 ppm en Mg dissous peut également être atteinte par équilibre métal-laitier à l'aide d'un laitier de composition appropriée qui est à former sur le bain métallique en poche. Par exepmple, pourra convenir un laitier basique contenant jusqu'à 10% de MgO en poids, et dont un exemple de constitution est donné ci-après (les valeurs sont des pourcentages pondéraux): Al₂O₃: 56 % - MgO: 3 % - CaO: 41 %.
Les résultats obtenus, à la température de coulée de 1560 °C, sur l'élargissement de la plage des inclusions fusibles grâce au traitement au magnésium présent avec sa teneur minimale de 2 ppm sont visibles sur la figure 2 par rapprochement avec la figure 1 qui, elle, consigne, toute chose égale par ailleurs, la situation sans traitement au magnésium.
La comparaison, simplement visuelle, entre les figures 1 et 2 révèle immédiatement l'influence bénéfique de la présence de magnésium à faible teneur sur l'élargissement du domaine de fusibilité I des inclusions de désoxydation (aluminates de chaux) au sein d'un bain en fusion d'acier UBC. L'élargissement s'opère en fait par le bas, c'est-à-dire vers les teneurs en calcium de traitement les plus faibles, ou, exprimé autrement, pour une teneur donnée en calcium, vers les teneurs les plus élevées en oxygène. On observe d'ailleurs, en même temps qu'un déplacement global vers le bas, un élargissement corrélatif du domaine voisin inférieur II (% Ca faible) dans lequel les oxydes sont partiellement liquides, alors que le domaine voisin supérieur IV (% Ca élevé) demeure celui des oxydes liquides, mais conjointement avec un précipité de sulfure de calcium. On notera que la limite haute de la plage de fusibilité (passage de la zone I à la zone IV) dépend, non pas de la teneur en Mg, mais de celle en soufre, toutes choses égales par ailleurs bien entendu.
En revanche, toute la zone III des diagrammes située en dessous du domaine de transition II, à savoir celle où les inclusions de désoxydation sont en phase solide, est largement amputée par un effet d'élargissements conjugués du domaine liquide I et du domaine voisin inférieur de transition II.
En portant son attention à présent sur les petits symboles circulaires placés sur chacune de ces deux figures, on pourra se rendre compte de la bonne corrélation qui existe entre l'élargissement du domaine de fusibilité I grâce au magnésium en faible quantité, conformément à l'invention, et le phénomène de bouchage de la busette de coulée. Les petits symboles géométriques vides consignent les coulées réussies, donc sans bouchage, alors que les symboles pleins noirs pointent les coulées ayant subi des bouchages importants. Il est précisé que ces symboles traduisent des analyses en calcium et oxygène total d'échantillons d'analyse prélevés à mi-coulée au sein du répartiteur .
Comme on le voit, le niveau de calcium dissous au delà duquel on forme des oxydes liquides correspond bien au niveau de calcium dissous au delà duquel on améliore la coulabilité de l'acier.
Conformément à l'invention, l'obtention d'une faible valeur de la teneur en magnésium, et son maintien à ce niveau depuis la poche de coulée (lieu où se fait la métallurgie secondaire d'ajustement à la nuance finale et le calmage) jusqu'à la lingotière de coulée, confèrent dès lors :

une souplesse accrue au traitement par le calcium en poche, puisque la plage en teneurs admissibles est plus grande en présence de magnésium, notamment vers les bas calcium comme on l'a vu;
ainsi qu'une meilleure reproductibilité des résultats: l'effet du magnésium même en très faible quantité, étant très sensible sur le domaine de précipitation inclusionnaire, on peut aisément passer à côté du domaine des oxydes en phase liquide, si on ne le contrôle pas.

Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les revendications jointes.
En particulier, on aura compris que si les résultats visés par l'invention peuvent être obtenus déjà à partir d'une mise en oeuvre de celle-ci avec une teneur minimale du bain métallique de 2 ppm en magnésium environ, cette valeur n'est qu'une limite inférieure qui, compte tenu des teneurs habituelles en oxygène du bain final, garantit à coup sûr une amélioration de la coulabilité. Autrement dit, l'invention pourra produire des résultats encore meilleurs sur l'élargissement de la plage de fusibilité I des inclusions si l'on prend soin d'ajuster la teneur en Mg en fonction de la teneur réelle en oxygène du bain métallique de manière à s'approcher, mais en prenant garde de ne pas l'atteindre, la valeur à laquelle le Mg commence à former des spinelles solides de MgO, dont la présence alors au sein du métal à couler annihilerait alors les bienfaits de l'invention sur la prévention des bouchages de busette.
La figure 3 montre précisément, sous forme d'un graphique, la valeur limite supérieure de la teneur en Mg en fonction de celle en oxygène total du bain à partir de laquelle ces spinelles indésirables vont se former au sein du bain d'acier en fusion à la température de coulée. On rappelle que la teneur en Ca considérée correspond à la valeur minimale pour avoir des oxydes à l'état liquide sans addition de Mg. Comme on le voit, la courbe représentative de cette valeur limite supérieure est régulièrement croissante avec les teneurs montantes en oxygène. Grâce aux caractéristiques de son origine basse, on voit bien qu'une teneur de 2 ppm environ en Mg permet d'être toujours en deca du seuil limite de formation de spinelles quelle que soit le niveau d'oxygénation du bain métallique. On voit également, en portant son attention à la mi-courbe, qu'à des teneurs en oxygène total de 20 à 30 ppm, qui sont des valeurs ordinairement atteintes de nos jours pour des aciers Ultra Bas Carbone, la valeur limite à ne pas dépasser se situe autour de 6 ppm, à plus ou moins 2 ppm si l'on se trouve proche des 30 ppm d'oxygène, ou proche des 20 ppm.

Claims

Procédé de traitement métallurgique en poche d'un acier devant être coulé en continu, selon lequel, à un bain d'acier en fusion ultra bas ou bas carbone, calmé (ou en cours de calmage) à l'aluminium pour atteindre une teneur donnée en oxygène, on ajoute du calcium afin de former des inclusions de désoxydation à point de fusion inférieur à la température de coulée de l'acier en lingotière, caractérisé en ce que, dans la chaîne de traitement qui va de la poche à la lingotière de coulée, on maintient le bain métallique à une teneur en magnésium dissous comprise entre une valeur minimum de 2 ppm environ et une valeur maximale de 10 ppm.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit du magnésium dans la poche de coulée et que l'on maintient sa teneur au sein du bain métallique par échange métal-laitier à l'aide d'un laitier basique pouvant titrer jusqu'à 10 % de MgO en poids.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit du magnésium sous forme de fil fusible fourré.