Étude de cas - Doublure DVC Chrome-Alumine

Défi

Effet du phosphore sur l'acier doux dans un four à induction sans noyau

Notre solution de déphosphoration dans les fours à induction sans noyau

Il existe une forte interaction entre le fer et le phosphore et leurs caractéristiques redox sont si similaires qu'elles sont généralement réduites simultanément. C'est pourquoi la teneur en phosphore est généralement assez élevée dans la fonte primaire sortant du haut fourneau ou dans la fonte spongieuse.

Heureusement il est encore possible d'éliminer le phosphore par oxydation en utilisant des scories à haute basicité, dans lesquelles le P2O5 l'activité reste faible, même à très forte concentration [3][4]. Le coefficient de partage du phosphore entre le laitier et le métal peut être bien supérieur à 200 dès que l'indice de basicité (ie CaO/SiO2) est supérieur à 2.

Les scories typiques utilisées pour les procédés de déphosphoration (déphos en abrégé) sont généralement à base de chaux et d'oxyde de fer (II). Des scories alternatives à base de baryum peuvent également être utilisées. De plus, les adjuvants comme la soude ou le spath fluor sont assez courants.

Le phosphore a en effet des effets divers et négatifs sur les propriétés finales de l'acier. Fondamentalement, il a tendance à augmenter la résistance à la traction en raison du renforcement de la solution solide de ferrite.

La production d'acier par le biais du four à induction représente environ un tiers de la fabrication totale d'acier en Inde. Les principaux avantages des fours à induction sans noyau [3] résident dans leur grande polyvalence, la possibilité d'arrêter le four si nécessaire, le très bon contrôle de la température tout au long du processus de fusion et de traitement, la capacité de fondre tout type d'alliage, y compris les aciers à faible teneur en carbone. .

La charge typique utilisée pour produire de l'acier doux avec un four à induction dépend fortement de la disponibilité locale des matières premières, mais elle consiste généralement en un mélange de déchets d'acier, de fonte brute et de DRI (fer directement réduit) dans diverses proportions. Cela peut entraîner des quantités variables de phosphore dans l'acier de sortie, pouvant aller jusqu'à 0.1 %.

Malgré les avantages mentionnés ci-dessus, les fours sans noyau présentent certains inconvénients et limitations, notamment en ce qui concerne le processus de déphosphoration potentiel. Premièrement, la forme de la cuve n'est pas entièrement adaptée à tout type de traitement des scories en raison du faible rapport surface/volume du bain. Cependant ceci peut être compensé par le brassage électromagnétique du bain de fusion, et aussi éventuellement par un soufflage d'oxygène et/ou un bullage de gaz inerte qui sont relativement faciles à mettre en oeuvre. D'autre part, les revêtements réfractaires traditionnels utilisés dans les fours à induction en acier ne sont pas adaptés pour résister à long terme aux scories très basiques. Les revêtements acides à base de silice cristalline ne résistent pas au contact d'un laitier de déphosphoration, même de courte durée. A l'inverse, les réfractaires basiques à base de magnésie ne sont pas adaptés au processus de fusion lors de la formation de scories acides, et leur sensibilité aux chocs thermiques et à la reprise d'humidité les rend mal adaptés aux processus discontinus.

Le développement des NRM (Neutral Ramming Masses) à base d'alumine liée au spinelle sur ce segment a véritablement rendu possible la déphosphoration, tout en améliorant considérablement la durée de vie du revêtement en fusion standard par rapport aux matériaux alternatifs pisé à sec [7]. L'utilisation du revêtement Saint-Gobain NRM a déjà prouvé sa rentabilité en matière de déphosphoration des aciers à base de DRI, par rapport à l'utilisation de ferrailles à faible teneur en phosphore. Cependant la réduction de la durée de vie du revêtement NRM consécutive à la vitesse de corrosion supplémentaire liée au laitier de déphosphoration a un fort impact économique pour l'aciérie et constitue un frein sérieux au développement d'un tel procédé dans les fours à induction sans noyau.

Produit alternatif aux masses neutres de pilonnage liées au spinelle

Bien que les RMN offrent un compromis intéressant face à la corrosion et aux chocs thermiques dans les fours à induction en acier, incluant éventuellement un procédé de déphosphoration, elles présentent également certaines limitations liées à leur conception intrinsèque et à leur microstructure. Leur système de liaison est basé sur sur place formation de spinelle à haute température, qui est connue pour offrir une bonne résistance à la corrosion. Cependant la formation de spinelle s'accompagne d'une expansion volumique importante qui tend à limiter la résistance mécanique de la couche frittée et ne conduit pas vraiment à de petits pores du fait du dimensionnement des particules nécessaire pour obtenir une bonne aptitude au pilonnage et une durée de conservation adaptée ( réactivité des fines de MgO). Le développement de la liaison céramique spinelle est supposé se produire à partir de 1200°C [7][8], mais les diverses impuretés provenant essentiellement de la magnésie et les contraintes de compression générées par l'expansion de la couche frittée à chaud tendent à fournir une consolidation de le matériau dans les couches dorsales dès que la température dépasse 900-1000°C.

De plus, bien qu'étant un oxyde basique, le MgO est loin d'être inerte dans un laitier de déphosphoration typique. La solubilité du MgO dans un CaO-FeO-CaF2 le laitier à 1550 °C est d'environ 4% mais augmentera rapidement au-dessus de 10% ou plus après SiO progressif2 enrichissement du laitier au cours du processus de déphos [7]. Le tableau ci-dessous présente un exemple d'évolution d'un laitier de déphos dans un four sans noyau de laboratoire revêtu d'un revêtement basique 85 % MgO. Il est particulièrement intéressant de noter l'énorme augmentation de MgO au fil du temps.

 

Exp. temps 0 20 min 1 heure
CaO 63.6 59.6 31.8
Fe2O3 27.2 6.3 3.9
Al2O3 5.7 6.7 6.4
SiO2 2.3 16.0 16.8
MNO 3.9 9.9
Cr2O3 0.3 0.5
MgO 6.3 29.6
Tableau 1 : évolution des scories de Dephos au cours du temps (% poids d'oxydes sur produits calcinés).

 

Dans ce cadre, l'utilisation de réfractaires secs chrome-alumine de haute qualité offre une alternative intéressante à la NRM basée sur la liaison spinelle. Les matériaux chrome-alumine sont utilisés avec succès depuis des décennies dans diverses opérations de fabrication d'acier en raison de leur haute réfractarité et de leur excellente résistance à la corrosion dans divers environnements. Néanmoins, leur utilisation comme ciments secs dans les fours à induction sans noyau n'est pas très répandue. L'utilisation de MgO en combinaison avec de l'oxyde de chrome et de l'alumine est encore possible, conduisant à divers composés spinelles, mais devrait en réalité être minimisée. SAINT-GOBAIN a déposé une demande de brevet portant sur une nouvelle solution réfractaire, particulièrement adaptée à la déphosphoration dans les fours à induction sans noyau et basée sur un système chrome-alumine. Ce matériau est défini comme suit, en pourcentage massique d'oxydes par rapport au poids global du matériau :

  • plus de 50% Al2O3, de préférence à plus de 85 %,
  • plus de 4% Cr2O3, de préférence plus de 7 % et moins de 15 %,
  • moins de 20 % de MgO, de préférence moins de 1 %,
  • moins de 5% de CaO, de préférence moins de 0.5%,
  • moins de 3% SiO2, de préférence moins de 0.5%,
  • moins de 5% Fe2O3, de préférence moins de 1%,
  • moins de 30% ZrO2, de préférence moins de 5%,
  • moins de 10 % de TiO2, de préférence moins de 2%,
  • la somme d'Al2O3+Cr2O3+ Fe2O3+ ZrO2+ TiO2 représentant plus de 80% du poids de matière, de préférence plus de 97%.

La solution privilégiée est en fait un nouveau ciment sec vibré alumine-chrome, qui apporte une solution unique au déphos acier dans les fours sans noyau, grâce à sa distribution granulométrique optimisée et son système de collage céramique.

Résultats Nouveau Al-Cr DVC

Le nouveau système de collage Al-Cr est basé sur une solution solide de chrome-alumine [9] qui présente une très haute résistance aux alliages ferreux et aux scories. L'expansion permanente légèrement positive pendant le frittage fournit une densification appropriée sans ouvrir la structure des pores ni altérer la résistance de la face chaude du revêtement. La distribution granulométrique initiale et le mécanisme de frittage conduisent à une structure microporeuse limitant toute pénétration de métal en fusion ou de laitier dans le revêtement.

 

Caractéristique après cuisson 1,600°C Nouveau DVC Al-Cr NRM typique
densité en vrac 3.4 2.8
Porosité ouverte (%) 15 25
Taille médiane des pores m <1 6
Résistance à l'écrasement à froid (MPa) 85 20
Changement linéaire permanent (%) 0.1 4
Tableau 2 : Propriétés comparatives après cuisson pour le nouveau DVC Al-Cr et un NRM à liaison spinelle typique utilisé pour les fours sans noyau en acier

 

Le phosphore a en effet des effets divers et négatifs sur les propriétés finales de l'acier. Fondamentalement, il a tendance à augmenter la résistance à la traction en raison du renforcement de la solution solide de ferrite.

 

 

Les matières premières sélectionnées et la nature du liant céramique conduisent à un frittage à haute température qui minimise l'épaisseur du frittage et maintient la majeure partie du revêtement réfractaire sous forme de poudre non frittée, améliorant ainsi la résistance à la fissuration et l'isolation thermique du revêtement, malgré la conductivité thermique plus élevée de la zone frittée. La figure 3 illustre les comportements de frittage comparatifs de respectivement nouveau DVC Al-Cr et un NRM typique d'alumine liée au spinelle, tous deux exposés à un gradient thermique entre 1,600 1,360°C et l'atmosphère ambiante. Le collage céramique du NRM standard est terminé vers XNUMX XNUMX°C tandis que le frittage final du nouveau DVC Al-Cr ne se produit qu'à 1,450 100 °C. Et il y a aussi une différence similaire de XNUMX°C sur la consolidation primaire.

Performance Ceramics & Refractories est une division de Saint-Gobain Ceramic Material

Fig.3 : Frittage sous gradient thermique d'un DVC Al-Cr et d'un NRM typique.

La figure 4 montre une comparaison estimée des profils thermiques à travers un revêtement de four sans noyau en acier dans les cas du NRM et du chrome-alumine. Ceci illustre l'avantage du chrome-alumine qui, malgré une conductivité thermique plus élevée, profite d'une température de frittage plus élevée pour diminuer la perte de chaleur globale à travers le revêtement.

 

Le phosphore a en effet des effets divers et négatifs sur les propriétés finales de l'acier. Fondamentalement, il a tendance à augmenter la résistance à la traction en raison du renforcement de la solution solide de ferrite.

Fig.4 (à droite) : Profils thermiques à travers la doublure pour resp. NRM et Nouveau DVC Al-Cr.

En ce qui concerne la corrosion par les scories de déphos, l'avantage du système chrome-alumine est assez évident. De gros échantillons cylindriques de 70 mm de diamètre ont été immergés dans un four à haute fréquence sans noyau contenant 200 kg d'acier de renfort en acier au Mn dopé à 0.0.8 % de P et 10 kg de laitier de déphos ayant la composition indiquée dans le tableau 3. Le cylindre a été puis mettre en rotation à 30 rpm pendant 20 minutes. La température a été maintenue entre 1,580 1,620°C et XNUMX XNUMX°C pendant tout le test.

 

Composant de laitier poids%
CaO 58.8
Échelle de broyage FeOx 30.3
CaF2 10.6
Tableau 3 : Composition des scories utilisées pour les essais de corrosion

 

Le tableau 4 présente les résultats obtenus sur différents échantillons réfractaires à l'issue des essais. Les performances supérieures de Nouveau DVC Al-Cr dans ces conditions de test agressives est clairement visible en termes d'aspect et de vitesse de corrosion. Le Cr2O3 la teneur dans le laitier à la fin de l'essai est voisine de 0.5 %, ce qui est similaire à la concentration obtenue sans aucun contact avec un réfractaire contenant du chrome.

 

Matière Analyse chimique sur produit calciné Nouveau DVC Al-Cr
87.5% Al2O3
7.9% Cr2O3
0.4 % de MgO
3.0% TiO2
0.6% de SiO2
0.2 % de CaO
0.1% Fe2O3
0.3% ND2O

NRM
86.7% Al2O3

12.5 % de MgO

0.2% de SiO2
0.2 % de CaO
0.1% Fe2O3
0.3% ND2O

Masse de battage de base
83.9 % de MgO

13.9% Al2O3

0.9% de SiO2
0.9 % de CaO
0.2% Fe2O3
0.2% ND2O
Exemple d'aspect après le test
Performance Ceramics & Refractories est une division de Saint-Gobain Ceramic Material
produit DVC en alumine chromée
produit DVC en alumine chromée
Diminution du diamètre à la ligne de laitier (%) 5% 29 % 11 %
Perte de volume sous la surface du laitier (%) 4% 20 % 35 %
Tableau 4 : Résultats des tests de corrosion en laboratoire dans des conditions de déphos

 

Proposition de valeur

Saint-Gobain nouveau DVC Al-Cr est la solution réfractaire à utiliser pour la déphosphoration dans les fours à induction sans noyau. Son liant céramique unique offre une excellente résistance à la corrosion à tous les scories, en particulier les scories basiques très agressives rencontrées dans les procédés de déphos. Les nouveau DVC Al-Cr présente également une température de frittage plus élevée, ce qui aide à maintenir une couche épaisse non frittée. Les principales conséquences positives sont une meilleure résistance à la propagation des fissures et des ailettes, une durée de vie prolongée et une extraction plus facile du creuset. La haute résistance mécanique et la faible dilatation permanente du nouveau DVC Al-Cr après frittage conduit à une face chaude dure et dense avec des résistances à l'abrasion et aux chocs supérieures, par rapport aux réfractaires alternatifs comme le NRM conventionnel.

Excellente résistance à la corrosion
Durée de vie prolongée
Haute résistance mécanique et faible dilatation permanente
Résistances supérieures à l'abrasion et aux chocs

Références

  1. Briant, CL., Banerji, SK., Fragmentation à 350 °C induite par le phosphore dans un acier à ultra haute résistance, Metallurgical Transactions A, vol.10, pp.123-126, 1979.
  2. Barres et fils d'acier déformés à haute résistance pour le renforcement du béton, Norme indienne IS 1786:2008 4th révision – modifiée le 1er novembre 2012.
  3. Purohit, A., Déphosphoration de l'acier produit à partir de l'éponge de fer dans le four à induction, Mémoire de Master, Institut National de Technologie Rourkela, mai 2014.
  4. Gaye, H., & al., Traitements métal – Laitier pour l'élaboration d'aciers de qualité, Conférence « Elaboration des matériaux métalliques massifs », Fédération Française des Matériaux, Paris, 2002.
  5. Masson, JM., Elaboration de l'acier moulé – Analyse des processus métallurgiques, Techniques de l'Ingénieur M3624, éd. Techniques de l'Ingénieur, Paris, 2007.
  6. Olette, M., Gatellier, C., Lamarque, G., Métallurgie secondaire, Techniques de l'Ingénieur M7750, éd. Techniques de l'Ingénieur, Paris, 2008.
  7. Goswami, J et al., Revêtement réfractaire nouvelle génération pour fours à induction sans noyau, Journal du 29th AGA et conférence de l'AIIFA, New Delhi, pp.17-23, novembre 2015.
  8. Sako, EY., Braulio, MAL., Pandolfelli, VC, Informations sur le mécanisme de formation in situ de MgAl2O4 et sa corrélation avec la résistance à la corrosion des bétons réfractaires contenant du spinelle, Worldforum des réfractaires, vol.6, pp.79-83, 2014.
  9. Emblème HG., & al., Chimie à l'état solide des réfractaires alumine-chrome, J. of Materials Science Letters, vol.11, pp.820-821, 1992.

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