BE1016550A3 - Procede pour couler en continu un metal a resistance mecanique amelioree et produit obtenu par le procede. - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un procédé pour la coulée continue d'un métal sous forme d'un jet creux dans une busette sise entre une poche de coulée ou un panier répartiteur et une lingotière de coulée continue, ladite busette comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur capable de dévier au moins une partie du métal liquide arrivant à l'entrée de la busette vers une paroi interne de la busette avant que celui-ci ne pénètre dans la lingotière, ledit procédé comprenant une injection dans un volume intérieur du jet creux de matière solide finement divisée, caractérisé en ce que la matière solide finement divisée comprend des nanoparticules de céramique technique, de taille caractéristique inférieure à 200 nm et de préférence à 100 nm.
Description
2005/0139
PROCEDE POUR COULER EN CONTINU ON METAL A RESISTANCE MECANIQUE AMELIOREE ET PRODUIT OBTENU PAR LE PROCEDE
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à un nouveau procédé pour la coulée en continu d'un métal en fusion, en particulier de l'acier, permettant d'obtenir un produit intermédiaire tel que brame, billette, fil, etc., avant traitement thermomécanique ultérieur tel que laminage, recuit continu, etc., de sorte que sa composition chimique a été modifiée par ajout d'éléments, en vue de lui conférer une résistance mécanique plus élevée. [0002] La description qui suit fait plus particulièrement référence à la coulée continue de l'acier.
Ce choix n'a toutefois qu'un caractère d'exemple et n'entraîne aucune limitation de l'invention. [0003] L'invention se rapporte également au produit à caractéristiques mécaniques améliorées obtenu par le procédé.
Etat de la technique
[0004] La technique de coulée continue d'acier est bien connue.
Elle consiste essentiellement à alimenter, avec de l'acier en fusion provenant d'une poche de coulée ou d'un panier répartiteur ( tundish) , un moule refroidi en cuivre ou alliage de cuivre, appelé lingotière de coulée continue, cette dernière étant ouverte à son extrémité inférieure, et à en extraire par cette ouverture un lingot sous forme d'un brin continu partiellement solidifié. 2005/0139
[0005] En général, l'acier en fusion est introduit dans la lingotière au moyen d'au moins une busette, c'està-dire un élément généralement tubulaire disposé entre le panier répartiteur et la lingotière.
L'extrémité inférieure de la busette est pourvue habituellement d'un ou deux orifices de sortie sis dans l'axe de la busette ou latéralement, et débouche sous le niveau libre d'acier liquide présent dans la lingotière. [0006] On connaît également des évolutions des busettes destinées à obtenir un meilleur refroidissement de l'acier liquide surchauffé en provenance du panier répartiteur. Le but est d'obtenir de l'acier pâteux à l'entrée de la lingotière. Ces busettes peuvent présenter notamment un échangeur de chaleur constitué d'un tube en cuivre refroidi à eau ou encore un déflecteur ou dôme. Celui-ci a pour rôle de forcer l'acier surchauffé à ruisseler en une couche mince le long des parois de la busette, ce qui permet d'augmenter notablement la surface d'échange thermique.
Le refroidissement du conduit assure l'élimination de la surchauffe de l'acier et provoque l'apparition d'une fraction solide qui rend l'acier pâteux à son entrée dans la lingotière. L'introduction d'un gaz protecteur sous pression, par exemple de l'argon, dans le conduit provoque une surpression qui empêche tout entraînement d'air par l'acier liquide, qui conduirait à l'oxydation de celui-ci ou à la formation d'alumine avec bouchage de la busette.
Cette technique décrite dans le brevet EP-B-269 180 porte le nom de coulée en jet creux ou au moyen d'une busette HJN pour hollow jet nozzle. [0007] Une autre évolution, décrite dans le brevet EP-B-605 379, se rapporte à l'injection dans le jet creux d'une certaine quantité de matière métallique finement divisée, en utilisant comme vecteur un gaz non oxydant en légère surpression par rapport à la pression atmosphérique, 2005/0139 afin d'empêcher toute entrée d'air.
Le but est d'obtenir, selon le cas, un affinement de la structure de solidification par création de nouveaux germes de solidification ou une modification de la composition chimique de base de l'acier.
[0008] On connaît encore une busette de coulée continue à jet tournant, décrite dans le brevet BE-A-101 20 37, composée d'un conduit vertical comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur ou dôme, dont la fonction est également de dévier le métal entrant dans la busette vers la surface intérieure dudit conduit et qui comporte trois bras disposés en étoile par rapport à l'axe de la busette et inclinés par rapport à l'horizontale. Ces bras sont configurés pour imprimer à l'acier liquide un mouvement tournant hélicoïdal le long de la paroi interne.
L'acier liquide sort alors par deux ouïes latérales de la busette avec une vitesse nettement plus faible que celle obtenue avec une busette conventionnelle pour un même débit, ce qui améliore la qualité des lingots extraits (moins d'inclusions et de bulles de gaz) .
[0009] La coulée continue de produits à base d'acier de composition chimique mixte ou bi-composants a également suscité un très grand intérêt dans un nombre important d'applications spécifiques, aussi bien pour les produits longs que pour les produits plats (par exemple réduction de la teneur en silicium à la surface des brames, afin d'améliorer l'aptitude à la galvanisation des produits laminés ; modification de la teneur en carbone en surface des aciers péritectiques pour améliorer leur coulabilité ;
coulée de produits dont les propriétés mécaniques varient le long de leur épaisseur, comme par exemple une haute résistance en surface et une grande ductilité à coeur, etc.). Le terme bi-composants désigne des produits dont la composition chimique de l'acier est différente selon 2005/0139 l'endroit du produit investigué, par exemple différente en peau par rapport au coeur. Pour répondre à ce besoin, la Demanderesse a proposé, dans la demande internationale OA-02/30598, une busette de coulée continue présentant dans sa partie supérieure un organe répartiteur à dôme conçu pour séparer l'acier liquide en deux jets, un jet interne et un jet externe, dans deux zones physiquement bien séparées.
Des moyens d'injection de matière gazeuse, liquide ou solide finement divisée (poudre dont la taille des particules est typiquement supérieure à 100 microns) sous le dôme dans la zone interne permettent la formation d'un acier de composition chimique différente de celle de l'acier de base, coulé dans la zone externe. [0010] Par ailleurs, il est connu que les traitements thermomécaniques classiques visant à augmenter les caractéristiques mécaniques d'un acier, par exemple par la microstructure (martensite, bainite, etc.) ou par une précipitation endogène, possèdent l'inconvénient que la structure de l'acier obtenu finalement peut être altérée par un post-traitement thermique du produit (par exemple soudage, galvanisation, etc.).
Il serait dès lors souhaitable, au moins dans certains cas de pouvoir couler directement un produit dont la structure et par conséquent les propriétés mécaniques soient stables tout au long des traitements ultérieurs que pourrait subir le produit.
Buts de 1 ' invention
[0011] La présente invention vise à fournir une solution qui permette de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
[0012] La présente invention vise en particulier à fournir un procédé de coulée en continu qui permette d'obtenir des brames ou des billettes de composition 2005/0139 chimique adaptée pour conférer à 1 ' acier une plus grande résistance mécanique avant laminage.
[0013] L'invention vise notamment à obtenir un acier de composition chimique homogène et/ou de structure stabilisée vis-à-vis d'un procédé de laminage et/ou de traitement thermomécanique postérieur à
la coulée. [0014] Un but particulier de la présente invention est d'exploiter la technique du jet creux pour injecter au travers de la busette de coulée continue des particules de céramique finement divisées.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0015] Un premier objet de la présente invention se rapporte à un procédé pour la coulée continue d'un métal sous forme d'un jet creux dans une busette sise entre une poche de coulée ou un panier répartiteur et une lingotière de coulée continue, ladite busette comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur capable de dévier au moins une partie du métal liquide arrivant à l'entrée de la busette vers une paroi interne de la busette avant que celui-ci ne pénètre dans la lingotière,
ledit procédé comprenant une injection dans un volume intérieur du jet creux de matière solide finement divisée, caractérisé en ce que la matière solide finement divisée comprend des nanoparticules de céramique technique, de taille caractéristique inférieure à 200 nm et de préférence à 100 nm.
[0016] Avantageusement, les nanoparticules de céramique technique comprennent des nanoparticules d'oxydes, de nitrures, de carbures, de borures, de siliciures et/ou des composés de ceux-ci.
[0017] De préférence, les oxydes sont Al203, Ti02, Si02, MgO, Zr02ou Y203. 2005/0139
[0018] Toujours avantageusement, la taille des nanoparticules est comprise entre 10 et 100 nm.
[0019] Toujours selon l'invention, la quantité de nanoparticules incorporées dans le métal liquide est inférieure ou égale à 5 pour cent, de préférence comprise entre 0,1 et 1 pour cent, en poids de métal coulé. [0020] Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, les nanoparticules de céramique injectées dans le volume intérieur du jet creux de la busette sont en suspension dans un gaz non oxydant, de préférence de l'argon, ledit gaz étant en légère surpression par rapport à la pression atmosphérique et au plus égale à la pression statique du métal coulé à l'entrée de celui-ci dans la lingotière. [0021] Selon un autre mode d'exécution préféré de l'invention, les nanoparticules de céramique sont injectées dans le volume intérieur du jet creux de la busette au moyen d'un dispositif mécanique de transport tel qu'une vis sans fin.
[0022] De manière particulièrement avantageuse, les nanoparticules sont agglomérées, préalablement à leur injection dans la busette, en microparticules de taille essentiellement comprise entre 10 et 1000 microns, de préférence entre 100 et 200 microns. [0023] Tout aussi avantageusement, préalablement à l'injection dans la busette, les nanoparticules sont agglomérées dans une matrice métallique constituée ou non du même métal que le métal coulé.
[0024] De préférence, le métal coulé est de l'acier liquide et la matrice métallique une matrice de fer ou la matrice métallique comprend un métal d'alliage autre que le fer.
[0025] Encore avantageusement, l'agglomération des nanoparticules est obtenue par mélange de nanoparticules de 2005/0139 céramique avec des particules micrométriques de fer, c'està-dire de taille supérieure à 10 microns, et de préférence inférieure à 20 microns.
[0026] Selon une première modalité préférée, ledit mélange est réalisé par un mélange préalable dans une barbotine, suivi d'un séchage, d'un broyage, d'un pressage isostatique et d'un rebroyage.
[0027] Selon une deuxième modalité préférée,
ledit mélange est réalisé par un battage à haute énergie de type "mechanical alloying" pour obtenir une insertion des céramiques dans la matrice de fer.
[0028] Selon un premier mode de réalisation avantageux, la busette à jet creux utilisée est du type à jet tournant, c'est-à-dire composée d'un conduit vertical comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur à dôme, dont la fonction est de dévier le métal liquide entrant dans la busette vers la surface intérieure dudit conduit et qui comporte une pluralité de bras disposés symétriquement en étoile par rapport à l'axe de la busette et inclinés par rapport à l'horizontale, lesdits bras étant configurés pour imprimer à l'acier liquide un mouvement tournant hélicoïdal le long de la paroi interne de la busette.
[0029] Selon un autre mode de réalisation avantageux, la busette à jet creux utilisée présente dans sa partie supérieure un organe répartiteur à dôme conçu pour séparer le métal liquide en deux jets, un jet interne et un jet externe, dans deux zones physiquement bien séparées, l'injection de nanoparticules de céramique sous le dôme dans la zone interne permettant la formation d'un métal de composition chimique différente de celle du métal de base, coulé dans la zone externe.
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[0030] Alternativement, l'injection de nanoparticules de céramique peut être effectuée dans la zone externe de la busette.
[0031] Un second objet de la présente invention se rapporte à un métal, de préférence un acier, de haute résistance mécanique se présentant après coulée sous la forme d'un lingot en brin continu à la sortie d'une lingotière de coulée continue, spécialement obtenu au moyen du procédé décrit ci-dessus, et comprenant moins d'un pour cent en poids de céramique technique répartie de manière homogène dans au moins une partie du lingot.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0032] L'idée à la base de l'invention est de développer un acier durci par une fine dispersion de particules céramiques conférant à l'acier des propriétés stables et inaltérables par le ou les traitements thermiques ultérieurs.
[0033] A titre d'exemple, on traitera le cas de la coulée continue d'acier.
[0034] On propose dès lors de couler un acier de base standard dans lequel est ajouté à la demande une quantité de particules nécessaire pour obtenir les propriétés de résistance demandées. Avantageusement, l'ajout de particules dans le métal liquide est réalisé directement au niveau de la busette de coulée continue, puisque celle-ci, dans les formes d'exécution généralement employées et décrites ci-dessus, comporte généralement des moyens pour l'introduction d'éléments d'alliage ou d'oxydes dans au moins une fraction du métal liquide traversant la busette.
[0035] Selon l'invention, les particules ajoutées sont des particules céramiques.
Il est connu de l'homme de métier qu'on nomme par céramiques techniques ou 2005/0139 industrielles une classe de matériaux manufacturés qui sont non-métalliques et inorganiques. Ils se répartissent en deux grandes familles : les oxydes (par exemple Al203, Ti02, Si02, MgO, Zr02, Y203, etc.) et les non-oxydes (nitrures, carbures, borures, siliciures, etc.). En outre, pour les besoins de l'invention, les particules céramiques devront répondre à la définition opérationnelle suivante : elles sont de taille nanométrique, typiquement 10-100 nanomètres (lnm = 10<¯9>m) et sont, après incorporation dans l'acier liquide, réparties de manière essentiellement homogène dans toute la section du produit coulé. La "taille" des particules doit être comprise ici comme étant la dimension la plus grande de la particule.
La nature nanométrique des particules d'inclusion est en effet indispensable au renforcement du produit. A l'inverse, des inclusions micrométriques constituent des défauts, des hétérogénéités qui rendent le produit plus fragile.
[0036] Les quantités de nanoparticules ajoutées à l'acier liquide sont de 1 pour cent maximum en poids. [0037] La mouillabilité des particules dans l'acier liquide est le critère le plus important pour le choix des particules et la résolution de ce problème technique est au coeur de la présente invention.
Une répartition homogène des nanoparticules dans l'acier liquide est indispensable, ce qui exclut un confinement des poudres injectées à la surface de l'acier liquide.
[0038] Selon l'invention, les particules peuvent être avantageusement agglomérées jusqu'à une taille de 100200 [mu]m pour pouvoir être injectées au travers de la busette HJN.
[0039] Pour améliorer la mouillabilité des particules dans l'acier liquide, on peut agglomérer les particules céramiques nanométriques dans une matrice de fer 10
2005/0139 ou métallique pour obtenir un composé dont la taille finale caractéristique est de 100-200 [mu] . La matrice de fer ou métallique favorise la dispersion des particules dans l'acier liquide.
Pour obtenir ce composé, on utilise des particules nanometriques de céramique mélangées à des particules micrométriques de fer (dont la taille est par exemple de 10 à 20 microns) . Le mélange est réalisé soit par :
- mélange dans une barbotine puis séchage, broyage, pressage isostatique et rebroyage ;
- battage à haute énergie {mechanical alloying) pour obtenir une insertion des céramiques dans la matrice de fer.
Le battage est une opération de mise en contact et introduction d'un élément dans un ensemble formé d'un ou de plusieurs éléments différents du premier élément en exerçant un effort sur l'élément.
[0040] Ces composés sont avantageusement injectés sous atmosphère gazeuse dans la busette HJN (voir brevet EP-B-605 379) . Une forte agitation régnant dans la busette permet alors une bonne insertion des particules dans l'acier liquide.
Claims (18)
1. Procédé pour la coulée continue d'un métal sous forme d'un jet creux dans une busette sise entre une poche de coulée ou un panier répartiteur et une lingotière de coulée continue, ladite busette comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur capable de dévier au moins une partie du métal liquide arrivant à l'entrée de la busette vers une paroi interne de la busette avant que celui-ci ne pénètre dans la lingotière, ledit procédé comprenant une injection dans un volume intérieur du jet creux de matière solide finement divisée, caractérisé en ce que la matière solide finement divisée comprend des nanoparticules de céramique technique, de taille caractéristique inférieure à 200 nm et de préférence à 100 nm.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nanoparticules de céramique technique comprennent des nanoparticules d'oxydes, de nitrures, de carbures, de borures, de siliciures et/ou des composés de ceux-ci.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les oxydes sont Al203, Ti02, Si02, MgO, Zr02ou Y203.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la taille des nanoparticules est comprise entre 10 et 100 nm.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de nanoparticules incorporées dans le métal liquide est inférieure ou égale à 5 pour cent , de préférence comprise entre 0,1 et 1 pour cent, en poids de métal coulé.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les
2005/0139 nanoparticules de céramique injectées dans le volume intérieur du jet creux de la busette sont en suspension dans un gaz non oxydant, de préférence de l'argon, ledit gaz étant en légère surpression par rapport à la pression atmosphérique et au plus égale à la pression statique du métal coulé à l'entrée de celui-ci dans la lingotière.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les nanoparticules de céramique sont injectées dans le volume intérieur du jet creux de la busette au moyen d'un dispositif mécanique de transport tel qu'une vis sans fin.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanoparticules sont agglomérées, préalablement à leur injection dans la busette, en microparticules de taille essentiellement comprise entre 10 et 1000 microns, de préférence entre 100 et 200 microns.
9. Procédé selon la revendication 8 , caractérisé en ce que, préalablement à l'injection dans la busette, les nanoparticules sont agglomérées dans une matrice métallique constituée ou non du même métal que le métal coulé.
10. Procédé selon la revendication 9 , caractérisé en ce que le métal coulé est de l'acier liquide et la matrice métallique une matrice de fer.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matrice métallique comprend un métal d'alliage autre que le fer.
12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'agglomération des nanoparticules est obtenue par mélange de nanoparticules de céramique avec des particules micrométriques de fer, c'est-à-dire de taille supérieure à 10 microns, et de préférence inférieure à 20 microns.
2005/0139
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit mélange est réalisé par un mélange préalable dans une barbotine, suivi d'un séchage, d'un broyage, d'un pressage isostatique et d'un rebroyage.
14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit mélange est réalisé par un battage à haute énergie de type "mechanical alloying" pour obtenir une insertion des céramiques dans la matrice de fer.
15.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la busette à jet creux utilisée est du type à jet tournant, c'est-à-dire composée d'un conduit vertical comprenant dans sa partie supérieure un organe répartiteur à dôme, dont la fonction est de dévier le métal liquide entrant dans la busette vers la surface intérieure dudit conduit et qui comporte une pluralité de bras disposés symétriquement en étoile par rapport à l'axe de la busette et inclinés par rapport à l'horizontale, lesdits bras étant configurés pour imprimer à l'acier liquide un mouvement tournant hélicoïdal le long de la paroi interne de la busette.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la busette à jet creux utilisée présente dans sa partie supérieure un organe répartiteur à dôme conçu pour séparer le métal liquide en deux jets, un jet interne et un jet externe, dans deux zones physiquement bien séparées, l'injection de nanoparticules de céramique sous le dôme dans la zone interne permettant la formation d'un métal de composition chimique différente de celle du métal de base, coulé dans la zone externe.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'injection de nanoparticules de
14
2005/0139 céramique est effectuée alternativement dans la zone externe .
18. Métal, de préférence acier, de haute résistance mécanique se présentant après coulée sous la forme d'un lingot en brin continu à la sortie d'une lingotière de coulée continue, pouvant être obtenu au moyen du procédé selon 1 ' une quelconque des revendications précédentes, comprenant moins d'un pour cent en poids de céramique technique répartie de manière homogène dans au moins une partie du lingot.
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