WO1997000746A1 - Procede de traitement de metal liquide et installation a cet effet - Google Patents

Procede de traitement de metal liquide et installation a cet effet Download PDF

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Serge Stocco
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Abstract

Procédé de traitement de métal liquide, en particulier de l'acier en vue de réduire la quantité d'inclusions. Selon l'invention un gaz, de préférence inerte est injecté par bullage par le fond du réservoir (1) au travers d'une pièce (3) poreuse adaptée à la forme du fond du réservoir, en combinaison avec l'utilisation d'une poudre réactive. L'invention porte également sur un réservoir adapté à cette technique.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE METAL LIQUIDE ET INSTALLATION A CET EFFET
OBJET DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de traitement d'un métal liquide en vue de réduire de manière importante les inclusions non-métalliques et les oxydes. L'invention porte également sur une installation métallurgique et en particulier un réservoir destiné à du métal liquide afin de permettre la mise en oeuvre de ce procédé. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION La production de métaux, en particulier celle de l'acier, entraîne l'apparition dans ceux-ci d'impuretés exogènes non-métalliques ou d'oxydes sous forme d'inclusions. Ces inclusions entraînent des difficultés considérables lors de la mise en forme ultérieure, notamment par laminage mais sont surtout la cause de difficultés importantes dans la production, ainsi qu'il sera indiqué ci-dessous, en particulier pour l'acier par la technique de coulée continue. De nombreuses techniques de traitement de la fonte et de l'acier à l'aide de flux gazeux admis dans la matière liquide à l'aide de distributeurs ou de lances sont connus, en vue de réaliser divers traitements et plus spécifiquement pour tenter d'éliminer les éléments étrangers.
Dans le cas particulier de l'élimination des inclusions, on a recours souvent à une poudre à réaction basique placée en surface du métal liquide qui permet de piéger les inclusions.
Les techniques développées ces dernières décennies pour 1 'acier impliquent le recours à la filière continue ou coulée continue. Dans ces techniques de l'acier liquide provenant d'une poche de coulée est mené dans un répartiteur. Les formes les plus courantes de ces répartiteurs sont la forme classique "baignoire" ou des formes plus élaborées dites en V
L'écoulement s'effectue dans le répartiteur depuis le côté poche vers les sorties côté busette(s) . Les protections classiques des jets de coulée ne permettent pas d'éviter une réoxydation du jet de coulée et une transformation de 1 ' aluminium en alumine et des autres composés métalliques oxydables en leurs oxydes correspondant.
Il subsiste en plus dans l'acier provenant du traitement de l'acier liquide dans la poche, des oxydes métalliques de silicium, de titane, de vanadium, de cerium, de zirconium en quantités variables suivant l'analyse de l'acier. Ces oxydes décantent normalement pendant les traitements de métallurgie en poche, mais les inclusions de petites dimensions (<50 microns) décantent très lentement et se retrouvent dans l'acier de coulée au répartiteur.
Ces macro et micro-inclusions dégradent fortement la qualité de l'acier coulé en continu et de plus, par leur accrochage sur les parois, les busettes d'écoulement perturbent les écoulements jusqu'à fermeture du tube de coulée et arrêt prématuré de la coulée. Afin d'éviter la réduction ou le bouchage mentionné ci- dessus, on a donc proposé une méthode de décantation rapide des macro et micro-inclusions qui consiste à injecter un gaz inerte à partir du fond du répartiteur et ce au moyen d'un barreau réfractaire collé sur le béton du répartiteur.
Entraînées par le flux gazeux qui provoque un courant ascendant dans le répartiteur, les macro et micro-inclusions viennent se déposer à la surface du bain liquide.
Un système de chicanes peut facultativement et de préférence être employé pour diriger les courants d'écoulement et prolonger ces écoulements pour augmenter le rendement de la décantation.
Un laitier basique de composition bien précise et adapté à la qualité de l'acier peut également servir de piège pour capturer ces inclusions et éviter qu'elles ne suivent l'écoulement d'acier liquide vers la busette de coulée.
Cette technique est peu satisfaisante tant au niveau de son efficacité qu'au niveau du coût d'installation. En effet, le gaz inerte injecté se dégage sous forme de grosses bulles présentant une vitesse ascensionnelle relativement importante, se traduisant finalement par une efficacité réduite.
RESUME DE L'ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le document GB-A-2 164 281, on décrit un répartiteur de coulée d'acier liquide comportant une pièce poreuse réfractaire amovible, comportant une surface en forme de rampe de déflexion, perméable, permettant d'injecter un gaz .
Le document GB-A-2 147 837 décrit un élément barrière pour un répartiteur de coulée à travers lequel un flux gazeux peut circuler. Il comporte des passages pour l'acier liquide sur le côté et un mur devant le barreau bullant.
L'utilisation d'éléments poreux tels que des briques réfractaires pour injecter des gaz dans des bains de métaux fondus est également connue par les documents Patent Abstracts of Japan vol. 005 no 072 (M-068) , 14 mai 1981 qui se réfère à JP-A-56 023353 et Patent Abstracts of Japan vol. 012 no 010 (M-658) , 13 janvier 1988 qui se réfère à JP-A-62 173056
Ce dernier document indique l'utilisation d'une poudre constituée de Ca, CaO, CaC03 ou CaF2.
Dans le document US-A-4 317 679, on décrit un procédé et un appareillage de dégazage d'un bain de métal fondu à l'aide d'une plaque munie de nombreux orifices par lesquels on admet un gaz de fluxage depuis le fond du bain dans une chambre de réaction dans le réservoir de transfert de métal liquide.
Selon ce document, on peut couvrir le bain d'un mélange de sels fondus, tels que les chlorures de sodium, de potassium ou de magnésium ou encore des mélanges de ceux-ci. Le document US-A-5 179 997 propose un procédé d'isolation thermique d'un bain de métal fondu dans le répartiteur de coulée continue à l'aide d'un mélange de CaO, MgO et Al203 et un oxyde de métal réactif, à savoir Ti02 constituant une poudre réfractaire. Le document DATABASE WPI Section Ch, Week 8638, Derwent Publications Ltd, London GB; Class M22, AN 86-250866 qui se réfère à SU-A-1 209 362 décrit une conception particulière d'un lingotière.
Dans le document WO-A-95/06534, on décrit une cuve pour un bain de métal fondu, par exemple un répartiteur de coulée qui est divisé en au moins trois chambres, seule une chambre dite de nettoyage comprise entre une chambre d'admission et une chambre d'évacuation étant recouverte d'une couche de poudre réactive, les autres recevant seulement une couche de poudre à effet d'isolation thermique. Dans cette chambre de nettoyage, un gaz inerte peut être introduit sous forme de bulles .
La poudre réactive préconisée pose manifestement des problèmes dans la zone de sortie car elle attaque les quenouilles par usure. C'est la raison principale de la chambre de réaction.
Ce document mentionne l'utilisation d'une dalle d'impact. De plus, le barreau présente de préférence une forme en L avec gaz émergent de la base du L. Ce n'est donc pas un barreau bullant complet mais seulement un bullage après le barreau et le barreau ici, est un barreau perforé avec trous vers le haut, toujours avec bullage après le barreau.
On indique également que les murs de la chambre de bullage sont en alumine et munis de surface de réaction qui sont des sources additionnelles de réaction de piégeage des inclusions .
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients des solutions de l'état de la technique. ELEMENTS CARACTERISTIQUES DE L'INVENTION L'invention porte à titre principal sur un procédé de traitement de métal liquide, en particulier de l'acier en vue de réduire la quantité d'inclusions, caractérisé par la combinaison d'un bullage d'un gaz injecté par le fond du réservoir contenant le métal liquide au travers d'une pièce poreuse et l'utilisation d'une poudre réactive destinée au captage des impuretés du métal liquide entraînées par l'effet du bullage, la couche de poudre couvrant la totalité du réservoir contenant le métal liquide.
Cette technique permet d'assurer une distribution homogène de fines bulles de gaz inertes permettant d'optimaliser la séparation des inclusions par la poudre réactive.
On utilise de préférence une poudre basique (laitier basique de couverture réactive) destinée à capter les impuretés piégées par les bulles de gaz tels que les alumines et à éviter qu'elles ne soient entraînées par l'écoulement de métal .
La poudre utilisée sera de préférence une composition à base ternaire CaO, Al203, Si02 additionnée de préférence de carbone et de MgO (agissant comme agent d'expansion et de fusion) . On utilise généralement une poudre à réaction basique, c'est à dire une poudre pour laquelle le rapport mol -,ai.re CaO est . supé ,ri.eur a-. .1.
Al2O^Si02
Les composants sont d'origine vierge (pas de récupération) et 1 ' analyse se situe dans le domaine de la pseudo wollastonite.
Fondue à la température du métal, la composition est adaptée au type du métal coulé.
Une poudre de couverture de démarrage peut être utilisée pour former très rapidement un sac de laitier liquide réactif dès les premiers mètres de coulée.
Pendant la coulée, la poudre absorbe les oxydes et son analyse se modifie vers une enrichissement en Al203 et en Si02.
Le déplacement dans le diagramme ternaire CaO, Al203, et Si02 montre qu'il se forme de ce fait des composés à haut point de fusion. Les composés risquant cependant de former des croûtes à 1 ' interface laitier qui provoquerait éventuellement un blocage des quenouilles, la composition spécifique utilisée sera choisie et adaptée pour éviter ces croûtes. Une composition avantageuse dudit mélange ternaire de poudre est comprise entre 55 à 75% et de préférence 50 à 70% de CaO, 5 à 12% et de préférence 5 à 7% d*Al203 et 6 à 20% et de préférence 8 à 12% de Si02 en poids.
Le mélange peut contenir 0 à 15 % et de préférence 2 à 8% de C et 0 à 8 % et de préférence 2 à 5% de MgO.
Dans le mélange peuvent encore être présents des impurtés telles que Fe203, MnO et de fondants, pour atteindre 100%.
La composition de ladite poudre, en fonction du réservoir utilisé et du métal liquide peut cependant être différente et même être acide, si le rapport molaire
CaO est inférieur à 1
A1203 - SiO,
La dimension des pores de la pièce poreuse est choisie de manière à former des bulles d'une dimension moyenne 0,5 mm à 3 mm, et de préférence 0,5 mm à 2 mm, se traduisant par une vitesse ascensionnelle de l'ordre de 5 à 50 litres/mn de gaz inerte dans le cas d'un bain d'acier. Le gaz est évacué suivant un débit proportionnel au débit de métal liquide traité (de 1 à 30 1/τnn par tonne de métal liquide) . Le gaz utilisé est de préférence un gaz neutre, avantageusement de l'argon ou de l'azote sont les plus habituellement utilisés. Il est cependant possible d'envisager d'utiliser un gaz autre possédant des propriétés différentes, combustible ou comburante par exemple. Pour permettre la mise en oeuvre de ce procédé, il est apparu opportun d'équiper un réservoir contenant du métal liquide d'une pièce poreuse, de préférence réfractaire, pouvant être disposée au fond du réservoir et qui épouse avantageusement la forme de ce fond. Cette pièce peut être à base l'alumine, de magnésie ou de dolomie. Avantageusement, la pièce poreuse se présente sous forme d'un barreau occupant transversalement tout le fond du réservoir et de préférence, traversée en son milieu d'un conduit d'amenée de gaz inerte.
Le réservoir contenant le métal liquide peut être équipé au minimum d'une entrée et d'une sortie pour le métal liquide, ce réservoir constituant dans ce cas, un réservoir de transfert du métal liquide.
Ledit réservoir peut être partagé en plusieurs chambres de passage du métal liquide avec la pièce poreuse toujours située dans la chambre de sortie du métal liquide.
Le barreau est disposé de préférence après une ouverture disposée près du fond du répartiteur dans un premier mur qui sépare la chambre où le métal coule de la poche, et le volume du reste du répartiteur. Après le barreau, on dispose facultativement un deuxième mur qui est percé d'un trou dans sa partie supérieure, ce trou étant orienté vers le haut d'un angle de 10 à 300.
Le métal s'écoule d'abord depuis la chambre où il pénètre en provenance d'une poche, sous le premier mur et ensuite par ce trou par le haut vers la partie du réservoir où se trouve la ou les busettes de coulée.
Au moins les deux dernières chambres des trois chambres ainsi formées par les deux murs sont de préférence recouvertes d'un laitier basique de couverture réactive. La technique mentionnée trouve son application en particulier dans des poches de coulée, des chenaux d'écoulement d'acier, des rigoles de hauts fourneaux, des réservoirs de transfert de métal liquide tels que des poches torpilles ou répartiteurs de coulée continue, des réservoirs où le métal liquide termine sa solidification (lingotières fixes ou rotatives) .
L'invention sera décrite plus en détail dans la description d'une forme d'exécution donnée à titre d'exemple non limitatif qui permettra de reconnaître d'autres détails et caractéristiques complémentaires de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale du répartiteur de coulée d'acier avec une pièce réfractaire poreuse formant barreau bullant et pourvu de deux murs de séparation. Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe de formes d'exécution d'une pièce réfractaire poreuse servant de barreau bullant .
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE D'EXECUTION
Selon la figure 1, dans un répartiteur 1 est disposé un barreau 3 constitué d'un matériau réfractaire poreux traversé par un conduit d'amenée 5 (voir figures 2 et 3) du gaz inerte, raccordé par une tubulure à une source de gaz inerte
(non représentée) .
Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe d'un tel barreau 3 constituant la pièce réfractaire poreuse.
Ainsi que l'indique la figure 1, le répartiteur est séparé par des murs 11 et 13 en trois chambres 15, 17 et 19.
Le barreau 3 est disposé après le mur 11 qui sépare la chambre où le métal en 1 'occurence l'acier coule de la poche et le reste du volume du répartiteur, qui est totalement recouvert de poudre 9. Le passage de l'acier s'effectuant sous ce mur 11 et le barreau 3 étant disposé approximativement à hauteur de la partie inférieure de ce mur
11.
Un deuxième mur 13 est percé d'un trou 21 dans sa partie supérieure, ce trou est de préférence orienté vers le haut sous un angle de 10 à 30O par rapport à la verticale et vers la chambre 19.
L'acier s'écoule donc par le haut vers la chambre 19 qui comporte dans son fond la ou les busettes de coulée 23. ESSAIS EXPERIMENTAUX
Pour déterminer les résultats optimaux, différents essais ont été entrepris qui portent sur : la forme et la position du barreau dans le répartiteur avec ou sans mur de débordement qui indiquent que la forme représentée avec mur de débordement est la plus avantageuse; la qualité du réfractaire poreux qui laisse apparaître que convient tout particulièrement un béton de 40 à 80% d'alumine (andalousite ou bauxite) proche de la qualité du béton de base du fond du répartiteur; le débit de gaz inerte dans le barreau qui est appliqué avec une pression variant de 0,5 à 3 Bars pour un débit de 5 à 50 litres/mn de gaz inerte pour un répartiteur ayant un volume utile de quelques m3; - la qualité de la poudre basique de piégeage des inclusions dont l'analyse varie en fonction des qualités d'acier, pour laquelle une composition en poids dans la plage de
CaO de 55 à 75%, de préférence 50 à 70% A1203 de 5 à 12%, de préférence 5 à 7% Si02 de 6 à 20%, de préférence 8 à 12% C de 0 à 15%, de préférence 2 à 8% MgO de 0 à 8%, de préférence 2 à 5% s'est révélée particulièrement intéressante. 1'analyse du laitier de la poudre basique qui montre que dans ces conditions optimales, le rapport Ca/Si varie de 9- pour la poudre de départ à 2 dans le laitier après coulée avec un enrichissement important de tous les oxydes métalliques (Al203, Si02, Ti02, Cr203, V205) ; On observe que la technique décrite permet d'atteindre: une durée plus longue de la coulée continue sans bouchage de la busette répartiteur par la décantation de tous les oxydes dans la chambre 17 et action du laitier basique de piégeage dans les chambres 17 et 19, en particulier à l' égard du tampon de coulée et de la busette venant de la poche; une propreté inclusionnaire parfaite de l'acier coulé sous forme de brames, blooms ou billettes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de métal liquide, en particulier de l'acier en vue de réduire la quantité d'inclusions, caractérisé par la combinaison d'un bullage d'un gaz injecté par le fond du réservoir contenant le métal liquide au travers d'une pièce poreuse et l'utilisation d'une poudre réactive destinée au captage des impuretés du métal liquide entraînées par l'effet du bullage, la couche de poudre couvrant la totalité du réservoir contenant le métal liquide.
2. Procédé selon le revendication 1 caractérisé en ce qu'on utilise une poudre basique formant un laitier basique de couverture réactive destinée à capter les impuretés piégées par les bulles de gaz tels que les alumines et à éviter qu'elles ne soient entraînées par l'écoulement d'acier.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la poudre utilisée est une composition à base ternaire CaO, A1203, Si02 additionnée de préférence de carbone et de MgO agissant comme agent d'expansion et de fusion.
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les composants de la poudre sont d'origine vierge et que l'analyse se situe dans le domaine de la pseudo wollastonite, la poudre lorsqu'elle est fondue à la température du métal, présentant une composition adaptée au type de métal coulé.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'une poudre de couverture de démarrage est utilisée pour former très rapidement un sac de laitier liquide réactif dès les premiers mètres de coulée.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 5 caractérisé en ce que pour éviter les composés formant des croûtes à l'interface laitier qui provoquerait éventuellement un blocage des quenouilles, la composition utilisée est adaptée pour éviter ces croûtes.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que la composition dudit mélange ternaire de poudre est comprise de préférence entre 55 à 75 % et de préférence 50 à 70% de CaO, 5 à 12% et de préférenc 5 à 7% d'Al203 et 6 à 15 % et de préférence 8 à 12% de Si02 en poids.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la composition contient en plus 0 à 15 % de préférence 2 à 8% de C et 0 à 8% et de préférence 2 à 5% de MgO.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
8 caractérisé en ce que la dimension des pores de la pièce poreuse est choisie de manière à former des bulles d'une dimension moyenne 0,5 mm à 3 mm et de préférence 0,5 mm à 2 mm, se traduisant par une vitesse ascensionnelle de l'ordre de 5 à 50 litres/mn de gaz inerte dans un bain d'acier, le gaz étant évacué suivant un débit proportionnel au débit de métal liquide traité (de 1 à 30 1/mn par tonne de métal liquide) .
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
9 caractérisé en ce que le gaz utilisé est un gaz neutre, avantageusement de l'argon ou de l'azote.
11. Réservoir permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'un réservoir contenant du métal liquide est équipé d'une pièce poreuse, de préférence réfractaire disposée au fond du réservoir.
12. Réservoir selon la revendication 11 caractérisé en ce que la pièce poreuse épouse la forme du fond du réservoir.
13. Réservoir selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que la pièce poreuse est à base d'alumine, de magnésie ou de dolomie.
14. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 caractérisé en ce que la pièce poreuse se présente sous forme d'un barreau occupant transversalement tout le fond du réservoir.
15. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 11 à 14 caractérisé en ce que la pièce poreuse est traversée en son milieu d'un tuyau d'amenée de gaz, de préférence de gaz inerte.
16. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 caractérisé en ce que le réservoir contenant le métal liquide est équipé au minimum d'une entrée et d'une sortie pour le métal liquide.
17. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 11 à 16 caractérisé en ce que ledit réservoir est partagé en plusieurs chambres de passage du métal liquide avec la pièce poreuse toujours située dans la chambre de sortie du métal liquide.
18. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 14 à 17 caractérisé en ce que le barreau est disposé après une ouverture disposée près du fond du répartiteur, dans un premier mur qui sépare la chambre où 1 ' acier coule de la poche, et le volume du reste du répartiteur.
19. Réservoir selon la revendication 18 caractérisé en ce qu'après le barreau, on dispose facultativement un deuxième mur qui est percé d'un trou dans sa partie supérieure, ce trou étant orienté vers le haut d'un angle de 10 à 30O.
20. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19 caractérisé en ce que le métal s'écoule d'abord depuis la chambre où il pénètre en provenance d'une poche, sous le premier mur et ensuite par ce trou par le haut vers la partie du réservoir où se trouve la ou les busettes de coulée.
21. Réservoir selon la revendication 20 caractérisé en ce qu'au moins les deux dernières chambres des trois chambres ainsi formées par les deux murs sont de préférence recouvertes d'un laitier basique de couverture réactive.
22. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans des poches de coulée, des chenaux d'écoulement d'acier, des rigoles de hauts fourneaux, des réservoirs de transfert de métal liquide tels que des poches torpilles ou répartiteurs de coulée continue, des réservoirs où le métal liquide termine sa solidification, notamment des lingotières fixes ou rotatives.
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