WO2001073140A1 - Traitement sous vide d'un metal fondu avec brassage simultane par injection d'helium - Google Patents

Traitement sous vide d'un metal fondu avec brassage simultane par injection d'helium Download PDF

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Jean-François DOMGIN
Pascal Gardin
Dominique Viale
Raymond Reitz
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    • F27D27/00—Stirring devices for molten material
    • F27D2027/002—Gas stirring

Definitions

  • the invention relates to a method of vacuum treatment of a molten metal in liquid form, such as steel for example.
  • a molten metal in liquid form such as steel for example.
  • the effervescent steel must generally undergo various complementary metallurgical operations which are carried out in a bag equipped with a vacuum installation. These operations generally consist of a deoxidation of the liquid metal then in its nuance and at temperature before the solidification of this metal in continuous casting or in an ingot mold.
  • a so-called degassing treatment is carried out, the efficiency of which is greatly improved by placing the atmosphere under vacuum in contact with the liquid metal. .
  • the decarburization of steel occurs by combining oxygen with the carbon dissolved in the metal to form carbon monoxide gas.
  • This decarburization is assisted by stirring of the liquid metal carried out for example, by injection of a neutral gas, argon most often, into the liquid steel from the bottom of the ladle.
  • Efficient stirring is essential for good decarburization, as well as degassing, because the depression created above the bath affects only a weak layer of steel at the top of the bath. It is therefore essential to continuously supply this reaction zone with the steel located below to ensure the desired overall performance. The same goes for dehydrogenation or denitriding treatments.
  • the stirring of the liquid steel however creates an agitation of the surface of the steel covered by the slag.
  • This agitation which is further exacerbated when the bag is placed under vacuum, can cause projections of liquid steel and slag on the walls of the bag, the lid or the tank in which the bag to be treated is placed.
  • the operator In order to limit such projections and to prevent the liquid metal and the supernatant slag from overflowing, the operator must maintain a safety distance between the surface of the liquid steel at rest and the upper rim of the ladle, the distance called guard height. The compliance with this guard height therefore requires limiting the filling of the metallurgical ladle to a value lower than its nominal value
  • the object of the invention is to provide a method for treating larger quantities of liquid metal in a vacuum bag while ensuring the correct course of this treatment.
  • the subject of the invention is a process for the vacuum treatment of a molten metal in liquid form comprising the steps consisting in:
  • the invention may also have the following characteristics - the treatment is a decarburization treatment which is applied to steel,
  • the treated metal is steel which has a carbon content of less than 60 ppm after having been decarburized
  • the treatment is a dehydrogenation treatment which is applied to steel
  • the treatment is a denitriding treatment which is applied to steel
  • the flow of helium injected is greater than or equal to 1.875 Nl / min for 1 ton of molten metal, - the injection of helium is carried out through the wall of the pocket which is provided with gas injectors implanted below the level of liquid metal,
  • the invention consists in coupling the use of helium as a stirring gas with the establishment of a guard height lower than usual practices.
  • the present inventors have in fact found that by using helium as a stirring gas in place of argon or nitrogen, the phenomena of agitation of the surface of the liquid steel are very significantly attenuated, allowing thus reducing the guard height and therefore increasing the filling rate of liquid metal in the bag, resulting in a significant gain in productivity.
  • the vacuum treatment of a molten metal such as steel is carried out by prior filling of a metallurgical ladle until a guard height generally between 0.6 and 1 m is reached, then by placing the bag under vacuum, inside which argon or nitrogen are injected simultaneously to stir the steel.
  • the pocket used in this example is of substantially cylindrical shape with a total height of about 4.4 meters and a maximum capacity of 300 tonnes of steel. By setting the guard height to a value of 0.8 m, one can generally process 240 tonnes per pocket.
  • the operation was carried out using the method according to the invention by carrying out a vacuum treatment of 240 t of liquid steel in a bag similar to that of the example of the prior art which has just been described, while injecting helium, under the same conditions as above.
  • the helium flow rates injected are of the order of 150 Nl / min for each of the porous plugs in the vacuuming phase, ie 1.875 Nl / t / min in all. These flow rates are then increased to 200 Nl / min for each of the plugs when the bag is under a vacuum of 1 mbar or less, ie a total flow of 2.5 Nl / t / min. It is then surprisingly found that the agitation of the surface of the liquid steel is reduced.
  • the treatment can be completed during the available period of time, which makes it possible to obtain a steel conforming to the targeted characteristics.
  • the injection of the gas into liquid metal can be carried out by any type of injector such as, in particular, at least one porous plug inserted in the bottom of the bag, or at least one lance immersed directly in the liquid metal .
  • the process according to the invention is more particularly suited to the implementation of vacuum decarburization treatments of steels, for which it is desired to obtain a final carbon content of less than 60 ppm, but it can be used in any metallurgical process under vacuum requiring stirring and involving compliance with a guard height.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement sous vide d'un métal fondu sous forme liquide comprenant les étapes consistant à: introduire le métal fondu sous forme liquide dans une poche métallurgique en remplissant ladite poche jusqu'à atteindre une hauteur de garde comprise entre 0,4 et 0,6 m, traiter le métal tout en mettant l'atmosphère au dessus de ladite poche sous dépression et en procédant simultanément à un brassage du métal fondu par injection d'hélium dans le fond de ladite poche pendant une partie ou la totalité du traitement.

Description

TRAITEMENT SOUS VIDE D ' UN METAL FONDU AVEC BRASSAGE SIMULTANE PAR INJECTION D ' HELIUM
L'invention concerne un procédé de traitement sous vide d'un métal fondu sous forme liquide, tel que de l'acier par exemple. A la sortie du convertisseur, l'acier effervescent doit généralement subir diverses opérations métallurgiques complémentaires que l'on effectue en poche équipée d'une installation sous vide. Ces opérations consistent généralement en une désoxydation du métal liquide puis à sa mise à nuance et à température avant la solidification de ce métal en coulée continue ou en lingotière. Pour certaines applications nécessitant de basses teneurs en gaz dissous (hydrogène et azote) et/ou en carbone, on procède à un traitement dit de dégazage dont l'efficacité est largement améliorée par la mise sous dépression de l'atmosphère en contact du métal liquide.
Pour le traitement de décarburation par exemple, lorsque les conditions adéquates de composition de l'acier et de pression au dessus du bain sont réunies, la décarburation de l'acier se produit par combinaison de l'oxygène avec le carbone dissous dans le métal pour former du monoxyde de carbone gazeux. Cette décarburation est assistée par un brassage du métal liquide effectué par exemple, par injection d'un gaz neutre, l'argon le plus souvent, dans l'acier liquide depuis le fond de poche.
Un brassage efficace est indispensable à la bonne réalisation de la décarburation, comme du dégazage, car la dépression créée au dessus du bain n'affecte qu'une faible couche d'acier à la partie supérieure du bain. Il est donc essentiel d'alimenter en permanence cette zone de réaction par l'acier situé en- dessous pour assurer les performances globales souhaitées. Il en va de même pour les traitements de déshydrogénation ou de dénitruration.
D'une façon générale, le brassage de l'acier liquide crée cependant une agitation de la surface de l'acier recouvert par le laitier. Cette agitation, encore exacerbée lorsque la poche est mise sous vide, peut provoquer des projections d'acier liquide et de laitier sur les parois de la poche, du couvercle ou de la cuve dans laquelle est placée la poche à traiter. Afin de limiter de telles projections et d'éviter que le métal liquide et le laitier surnageant ne débordent, l'exploitant doit maintenir une distance de sécurité entre la surface de l'acier liquide au repos et le rebord supérieur de la poche, distance appelée hauteur de garde. Le respect de cette hauteur de garde impose donc de limiter le remplissage de la poche métallurgique à une valeur inférieure a sa valeur nominale
Sinon, l'opérateur serait contraint de limiter le débit de brassage, voire même de supprimer ce brassage pour limiter l'agitation en surface, ce qui peut conduire directement à un déclassement de l'acier obtenu
Ainsi, l'invention a pour but de proposer un procédé permettant de traiter en poche sous vide de plus grandes quantités de métal liquide tout en garantissant le déroulement correct de ce traitement
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement sous vide d'un métal fondu sous forme liquide comprenant les étapes consistant a
- introduire le métal fondu sous forme liquide dans une poche métallurgique en remplissant ladite poche jusqu'à atteindre une hauteur de garde comprise entre 0,4 et 0,6 m,
- traiter le métal tout en mettant l'atmosphère au dessus de ladite poche sous dépression et en procédant simultanément à un brassage du métal fondu par injection d'hélium dans le fond de ladite poche pendant une partie ou la totalité du traitement
L'invention peut en outre présenter les caractéristiques suivantes - le traitement est un traitement de décarburation que l'on applique a de l'acier,
- le métal traité est de l'acier qui présente une teneur en carbone inférieure à 60 ppm après avoir été décarburé,
- le traitement est un traitement de déshydrogénation que l'on applique à de l'acier,
- le traitement est un traitement de dénitruration que l'on applique à de l'acier,
- le débit d'hélium injecté est supérieur ou égal à 1 ,875 Nl/min pour 1 tonne de métal fondu, - l'injection d'hélium est effectuée au travers de la paroi de la poche qui est pourvue d'injecteurs de gaz implantés en dessous du niveau du métal liquide,
- l'injection d'hélium est effectuée au travers du fond de la poche qui est pourvue d'injecteurs de gaz dans son fond. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à coupler l'utilisation de l'hélium comme gaz de brassage à l'établissement d'une hauteur de garde inférieure aux pratiques habituelles. Les présents inventeurs ont en effet constaté qu'en utilisant comme gaz de brassage l'hélium à la place de l'argon ou de l'azote, les phénomènes d'agitation de la surface de l'acier liquide sont très sensiblement atténués, permettant ainsi de réduire la hauteur de garde et par conséquent d'augmenter le taux de remplissage en métal liquide de la poche, d'où un gain de productivité important.
Un exemple de procédé de l'art antérieur et un exemple de mise en œuvre de l'invention dans le cas de la décarburation de l'acier liquide en cuve sous vide vont à présent être décrits.
Dans l'art antérieur, le traitement sous vide d'un métal fondu tel que de l'acier, est réalisé par remplissage préalable d'une poche métallurgique jusqu'à atteindre une hauteur de garde généralement comprise entre 0,6 et 1 m, puis par mise sous vide de la poche à l'intérieur de laquelle on procède simultanément à l'injection d'argon ou d'azote pour brasser l'acier.
La poche utilisée dans cet exemple est de forme sensiblement cylindrique avec une hauteur totale de 4,4 mètres environ et une contenance maximale de 300 tonnes d'acier. En réglant la hauteur de garde à une valeur de 0,8 m, on peut généralement traiter 240 tonnes par poche. Les injecteurs de gaz utilisés sont constitués de trois bouchons poreux insérés dans le fond de la poche. Ces bouchons poreux sont conçus pour supporter chacun un débit de gaz maximum de 600 Nl/min (1 NI = 1 litre mesuré dans des conditions normales de température et de pression).
Lorsque la poche contenant l'acier liquide est placée dans une enceinte que l'on met progressivement sous dépression, il se produit une émission de CO provenant des couches supérieures du métal dans la poche, à un niveau de pression dans l'enceinte correspondant à la pression de CO en équilibre avec les activités en carbone et oxygène dissous dans le métal. Le débit de ces émissions de CO par ébullition spontanée sous l'effet de la dépression est relativement important et conduit à une élévation du niveau de métal en poche et à la formation de projections métalliques. Du fait de cette émission de CO, le débit de brassage doit être limité pour chacun des bouchons poreux, typiquement de 50 à 80 Nl/min, pour une hauteur de garde initiale de 0,8 m, soit un débit total de gaz neutre injecté de 0,625 à 1 Nl/t/min.
Lorsque le débit d'émission de CO se réduit, à la suite de la diminution de la teneur en carbone du métal, on procède généralement à une augmentation du débit de gaz de brassage qui intervient en phase dite de bas vide, pour laquelle la pression dans l'enceinte contenant la poche est à une pression inférieure à 10 mbar, typiquement de l'ordre de 1 mbar. Le débit de gaz injecté par élément poreux est typiquement de 200 Nl/min, soit un débit total d'argon ou d'azote injecté dans la poche de 2,5 Nl/min par tonne d'acier.
Dans ces conditions, le degré d'agitation de la surface de l'acier liquide ainsi que le débit des projections d'acier générées sous l'effet conjugué de l'ébullition du CO et du gaz de brassage reste acceptable tout au long du traitement. Si l'on réduisait la hauteur de garde à une valeur comprise entre 0,4 et
0,6 m, en injectant de l'argon ou de l'azote, il serait indispensable de réduire fortement le débit d'injection de gaz neutre à des débits inférieurs à ceux indiqués pour une hauteur de garde standard, ce qui conduirait, à durée de traitement sous vide identique, à une dégradation des performances de décarburation. Dans le cas d'une décarburation d'acier, cela mènerait à un acier insuffisamment décarburé et donc impropre à l'usage visé.
On a opéré à l'aide du procédé selon l'invention en effectuant un traitement sous vide de 240 t d'acier liquide dans une poche similaire à celle de l'exemple de l'art antérieur qui vient d'être décrit, tout en injectant de l'hélium, dans les mêmes conditions que précédemment. Les débits d'hélium injectés sont de l'ordre de 150 Nl/min pour chacun des bouchons poreux dans la phase de mise sous vide, soit 1 ,875 Nl/t/min en tout. Ces débits sont ensuite augmentés jusqu'à 200 Nl/min pour chacun des bouchons lorsque la poche est sous un vide de 1 mbar ou moins, soit un débit total de 2,5 Nl/t/min. On constate alors de façon surprenante que l'agitation de la surface de l'acier liquide est réduite. Les projections d'acier liquide sur les parois de la poche sont par conséquent également réduites, ce qui permet de remplir la poche jusqu'à laisser une hauteur de garde comprise entre 0,4 et 0,6 m. Ce sont ainsi 20 tonnes d'acier liquide supplémentaires qui peuvent être traitées en une seule opération, avec les mêmes performances métallurgiques et les mêmes conditions de sécurité qu'avec l'injection d'argon ou d'azote, d'où un gain de productivité de l'ordre de 10 %.
En outre, le traitement peut être mené à son terme pendant le laps de temps disponible, ce qui permet d'obtenir un acier conforme aux caractéristiques visées.
Bien entendu, l'injection du gaz dans de métal liquide peut être réalisée par tout type d'injecteur tel que, notamment, au moins un bouchon poreux inséré dans le fond de la poche, ou au moins une lance immergée directement dans le métal liquide.
Le procédé selon l'invention est plus particulièrement adapté à la mise en œuvre de traitements de décarburation sous vide d'aciers, pour lesquels on souhaite obtenir une teneur finale en carbone inférieure à 60 ppm, mais il pourra être utilisé dans tout procédé métallurgique sous vide nécessitant un brassage et impliquant le respect d'une hauteur de garde.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement sous vide d'un métal fondu sous forme liquide comprenant les étapes consistant à :
- introduire le métal fondu sous forme liquide dans une poche métallurgique en remplissant ladite poche jusqu'à atteindre une hauteur de garde comprise entre 0,4 et 0,6 m,
- traiter le métal tout en mettant l'atmosphère au dessus de ladite poche sous dépression et en procédant simultanément à un brassage du métal fondu par injection d'hélium dans le fond de ladite poche pendant une partie ou la totalité du traitement.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit traitement est un traitement de décarburation que l'on applique à de l'acier.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'acier présente une teneur en carbone inférieure à 60 ppm après avoir été décarburé.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit traitement est un traitement de déshydrogénation que l'on applique à de l'acier.
5. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit traitement est un traitement de dénitruration que l'on applique à de l'acier.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le débit d'hélium injecté est supérieur ou égal à 1 ,875 Nl/min, pour 1 tonne de métal fondu.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on effectue ladite injection d'hélium au travers de la paroi de la poche qui est pourvue d'injecteurs de gaz implantés en dessous du niveau du métal liquide.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on effectue ladite injection d'hélium au travers du fond de la poche qui est pourvue d'injecteurs de gaz dans son fond.
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