WO2000062957A1 - Traitement pour ameliorer la coulabilite des aciers calmes a l'aluminium coules en continu - Google Patents

Traitement pour ameliorer la coulabilite des aciers calmes a l'aluminium coules en continu Download PDF

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Jean Lehmann
Laurent Sosin
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
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    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/06—Deoxidising, e.g. killing

Definitions

  • the present invention relates to the continuous casting of steel. It relates more particularly to the prevention of blockage of the pouring nozzle during the casting of slabs, or strips, of quenched steel, in particular low or ultra low carbon steel (so-called UBC or L S steels).
  • fattening is a phenomenon of progressive shrinking , from the periphery towards the center, of the conduit offered by the nozzle to the liquid metal for its passage in the mold.
  • the origin of this phenomenon is the deposit on the inner wall of the nozzle of solid particles, which are the non-metallic inclusions of deoxidation of the liquid metal.
  • Calming of this type of steel is conventionally carried out in a refining ladle by adding aluminum, a deoxidizer commonly used in the steel industry.
  • the deoxidation reaction produces aluminates which decant mainly on the surface of the metal bath, first in the ladle, then in the distributor. Nevertheless, some of these non-metallic inclusions inevitably remain in suspension within the liquid metallic mass at the time of casting It is in particular these particles which, during their transit in the nozzle, cling to the wall of the tube and, by phenomenon of accretion over time, end up closing the passage
  • preventive measures it is also known to fight against blockages of the nozzle by means of preventive measures, the primary interest of which is to be able to do without "bubbling argon".
  • One of them consists in adding to the metal bath before casting, therefore in the distributor, or preferably already in the refining ladle, a flux, such as Ca (for example in the form of Si-Ca or of Ca-Fe) which will complex with the deoxidizing aluminates to form more fusible inclusions , which therefore remain in principle in the liquid state at the casting temperature.
  • a flux such as Ca (for example in the form of Si-Ca or of Ca-Fe) which will complex with the deoxidizing aluminates to form more fusible inclusions , which therefore remain in principle in the liquid state at the casting temperature.
  • a preventive treatment of this type by adding calcium is described, for example, in document EP-A-0 512 118, the general teaching of which will be considered as incorporated into the present document by reference.
  • the object of the invention is precisely to achieve a better fluidity of the deoxidation inclusions that have been formed by calcium treatment of the metal bath before casting.
  • the subject of the invention is a metallurgical treatment in a ladle of steel to be continuously cast, according to which, in a bath of ultra low or low carbon molten steel, calmed with aluminum (or during calming) to reach a given oxygen content, calcium is added in order to form deoxidation inclusions with a melting point lower than the casting temperature of the steel in the mold, characterized in that, in the processing chain which goes from the ladle to the casting mold, the metal bath is maintained at a dissolved magnesium content close to 2 ppm at least, without exceeding the content, depending on that of oxygen in the bath, beyond which solid spinels based on magnesium can form
  • the basis of the invention is the discovery of the beneficial action of magnesium in small quantities on the maintenance in the liquid phase of the deoxidation inclusions present after calming or formed during casting in the presence of calcium . It has been observed in fact that the presence of magnesium in small quantities within a metallic bath treated with calcium (namely of the order of 2 ppm of Mg at least, and being able to go up to 8-10 ppm for the oxygen contents which one usually meets in the low or very low carbon steels calmed aluminum) influenced the physical nature of the inclusive population of the cast steel element magnesium significantly widens the range of existence of liquid lime aluminates at the temperature of casting steel (approximately 1520-1570 ° C).
  • - Figure 1 is a phase diagram showing the fields of inclusionary precipitation at 1,560 ° C. (casting temperature) in an Ultra Low Carbon steel grade according to the calcium content, arranged on the ordinates, and in total oxygen (dissolved and bound) placed on the abscissa, and this in the absence of magnesium, other than trace amounts (less than 0.1 ppm).
  • - Figure 2 is a diagram similar to that of Figure 1 showing the same situation, but in the presence of a magnesium content of the metal bath up to 2 ppm.
  • FIG. 3 is a graph showing the evolution of the maximum permitted content of dissolved magnesium in the molten steel bath as a function of the latter's total oxygen content (dissolved and bound), knowing that the calcium content considered corresponds to the minimum value required to have liquid oxides without the addition of magnesium.
  • the UBC steel considered here has the following weight composition, given in thousandths of%, except for nitrogen (N) which is given in ppm:
  • This steel bath coming from an oxygen converter for example, first undergoes a decarburization treatment "under vacuum” in a refining station (pocket-shading furnace equipped with an installation under vacuum, or in an RH unit). Then, the metal bath is calmed by adding aluminum.
  • This element is provided in sufficient quantity to reach the desired residual contents of total oxygen in the bath, namely, taking into account the time necessary for the settling of the inclusions of aluminas, of the order of 20 to 30 ppm of total oxygen ( dissolved and bound) at the level of the distributor, so just before pouring.
  • an addition of calcium is carried out by means of the introduction into the bath of molten metal of a fusible wire filled with Si-Ca
  • the supply of Ca is regulated so to obtain a content of the order of 25 ppm of total Ca (dissolved and bound in the form of aluminates and sulphides)
  • magnesium it can be introduced at any time after deoxidation by aluminum, either separately or simultaneously with calcium if the latter is provided after deoxidation
  • the addition of magnesium in small quantities in accordance with the invention can be carried out in a ladle, or possibly in the distributor, using a fused metallic wire, for example made of a Ni-Mg alloy, which melts in the bath of molten steel as it is introduced into it
  • a fused metallic wire for example made of a Ni-Mg alloy, which melts in the bath of molten steel as it is introduced into it
  • the minimum targeted content of 2 ppm of dissolved Mg can also be achieved by metal-slag equilibrium using a slag of suitable composition which is to form on the metal bath in a pocket.
  • a basic slag containing up to 10% MgO by weight may be suitable, and an example of constitution of which is given below (the values are percentages by weight) Al 2 O 3 56% - MgO 3% - CaO 41%
  • the level of dissolved calcium beyond which liquid oxides are formed corresponds well to the level of dissolved calcium beyond which the flowability of the steel is improved.
  • obtaining a low value of the magnesium content, and maintaining it at this level from the ladle (place where the secondary metallurgy for adjustment to the final shade and the calming is done) up to the casting mold therefore confer:
  • the upper limit value of the Mg content as a function of that of total oxygen in the bath from which these undesirable spinels will form within the bath of molten steel at the pouring temperature.
  • the Ca content considered corresponds to the minimum value for having oxides in the liquid state without the addition of Mg.
  • the curve representative of this upper limit value is regularly increasing with the rising oxygen contents. Thanks to the characteristics of its low origin, it can be seen that a content of approximately 2 ppm in Mg makes it possible to always be below the limit threshold for the formation of spinels whatever the level of oxygenation of the metal bath.

Abstract

Selon ce traitement, dans lequel, à un bain d'acier ultra bas ou bas carbone calmé à l'A1 (ou en cours de calmage) on ajoute du calcium afin de former des inclusions non métalliques de désoxydation ayant un point de fusion inférieur à la température de coulée, on maintient le bain métallique à une teneur minimale basse en magnésium, voisine de 2 ppm, dans la chaîne de traitement qui va de l'installation d'affinage en poche à la lingotière de coulée. La mise en oeuvre de l'invention procure un élargissement du domaine de fusibilité de la population inclusionnaire des aciers et améliore ainsi la coulabilité des nuances ultra bas carbone fortement calmées à l'Aluminium sans nécessiter de bullage argon.

Description

Traitement pour améliorer la coulabilité des aciers calmés à l'aluminium coulés en continu.
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 L S)
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 II 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 LFS 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 Ton 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 fourre 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 ou 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 deçà 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

REVENDICATIONS
1) 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 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 ayant une valeur minimum de 2 ppm environ, et n'exédant de toute façon pas la valeur, dépendant de la teneur en oxygène total du bain, au-delà de laquelle des spinelles solides à base de magnésium peuvent se former
2) ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient la teneur en magnésium du bain à une valeur maximale de 6 ppm environ, quand la teneur en oxygène total visée avant coulée est de l'ordre de 20 - 30 ppm.
3) 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.
4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit du magnésium sous forme de fil fusible fourré.
PCT/FR2000/000779 1999-04-15 2000-03-29 Traitement pour ameliorer la coulabilite des aciers calmes a l'aluminium coules en continu WO2000062957A1 (fr)

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