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Procédé de fabrication de l'acier au four Siemens-Martin
La présente invention consiste en ce que dans la production de l'acier au four Siemens-Martin,au moins à partir de la fin de l'affinage,les matières à action oxydante arrivent dans le four ou prenant naissance dans celui-ci sont maintenues écartée de la charge.
On peut distinguer cinq phases dans la fabrication de l'a- cier au four Siemens-Martin : La fusion,l'affinage (c'est à dire l'élimination d'impuretés par oxydation),la désoxydation,l le dépôt (c'est à dire le classement par ordre de densité) et la formation de l'alliage. Dans les deux premières de ces cinq phases,l'action oxydante de la flammen'est pas nuisible.
Elle l'est au contraire dans les trois dernières phases car alor de nouvelles combinaisons oxygénées repassent toujours dans l'acier par le. voie de la scorie. Comme dans les trois derniè-
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res phases il faut des températures particulièrement élevées, l'action oxydante de la flamme est d'autant plus intense.Dans d'autres procédés,par exemple dans le procédé au creuset et dans le procédé électrique,dans lesquels il n'y a pas d'action oxydante des flammes,on peut désoxyder longtemps et laisser re- poser longtemps, puis faire l'alliage au repos sans que les ma- tières d'alliage couteuses s'échappent par oxydation sous l'influ- ence de la flemme.
Cette possibilité n'existait pas jusqu'à pré- sent dans le procédé Siemens-Martin; elle est atteinte suivant la présente invention par le fait qu'au moins à partir de la fin de l'opération d'affinage,l'influence des constituants oxydants est supprimée.
On peut par exemple, pour réaliser le procédé,placer entre la flamme de chauffsge et la charge une couche protectrice qui, par sa constitution,est tout fait indépendante de la flamme de chauffage et qui est choisie de telle façon qu'on peut avec elle effectuer les actions chimiques qui sont nécessaires. Comme la flamme de chauffage exerce en général une action oxydante, cette couche protectrice en question aura en général une nature telle qu'elle possède une action réductrice ou neutre.
La couche protectrice doit s'étendre comme un voile,c'est à dire à plat autant que possible, au-dessus de toute la charge. ceci est nécessaire pour deux raisons,d'abord parce qu'elle doit mettre à l'abri de la flamme de chauffage toute la surface du bain et en second lieu parce qu'unecouche protectrice trop épaisse exerce rait, à cause de l'acide carbonique qu'elle peut contenir,une trop forte &ction absorbante sur le rayonnement de chaleur et nuirait ainsi à l'action de la flamme de chauffage sur le bain.
Cette façon de procéder peut être réalisée de différentes ma- nières . L'essentiel est de former la couche protectrice entre la flamme de chauffage et la charge. Il est en outre désirable que la composition de la couche puisse être modifiée suivant les besoins. La formation de la flamme de chauffage ou la construction des brûleurs pour cette flamme n'a pas d'Importance ; l'idée qui est à la base de l'invention est au contraire applicable à n'importe quelle construction de-brûleur du système Siemens-Martin
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pourvu qu'on évite que la couche protectrice placée en-dessous soit percée et détruite.
Les dessins annexés représentent différentes formes de réalisation de l'idée de l'invention. Cette dernière se réalise le plus aisément de la manière représentée aux fig. 1 et 2,
1 est la chambre de fusion, 2 le canal d'air et 3 le canal de gaz qui est subdivisé en trois parties et s'étend pratiquement sur toute la largeur de la chambre de la sole. Par le bas débou- chent dans ces canaux de gaz des conduites 4 et 5 dont les ori- fices 6 sont dans lefond du canal de gaz. Ces conduites amènent les gaz qui sont nécessaires pour transformer suivant les be- soins l'action réductrice des gaz passant sur le. sole en une action oxydante ou neutre. A cet effet, on peut par exemple in- troduire une certaine quantité d'air par 5,ou bien 5 et 4.
Mais on peut aussi envoyer supplémentairement dans le canal de gaz par 4 ou 5 des ga.z de combustion ou bien on peut envoyer par une des conduites de l'air et par l'autre du goudron car il a été établi que la flamme de goudron exerce une action particuliè re sur le bain. En cas d'inversion,on peut faire l'inversion conduites également dans les @ aboutissant en 4 et 5. S'il ne s'agit que de très petites quantités.on peut également négliger cette inversion et laisser s'échapper les gaz du côté de la sor- tie dans les chambres de régénérateurs.
Aux fig. 3 et 4,1e carneau de gaz est divisé en deux parties
3 et 4. Tandis que 3 sert uniquement à la flamme de chauffage et que la chambre 5 de combustion préalable forme un bruleur de mélange, le carneau de gaz 4 sert uniquement à produire la cou- che protectrice en combinaison avec le canal 6 et les ouvertures
7 qui peuvent amener de nouveau les gaz déjà mentionnés.
Les fig. 5 et 6 montrent une disposition dans laquelle la couche protectrice est produite par un foyer direct 4 dont les gaz sont conduits au moyen de trois compartiments dans la chambre de fusion de façon à se trouver entre la flamme de chauf fage et le bain. En réglant l'air primaire envoyé au foyer 4,on a la possibilité de produire entre la flamme et le bain,suivant le besoin,une couche oxydante,réductrice ou neutre. ,
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On a finalement représenté aux fige 7 et 8 un bruleur de mélange pour gaz chauds et air chaud correspondant aux carneaux
2 et 3,tandis que la couche protectrice est produite dans ce cas par cinq brûleurs 4,qui sont de nouveau directement au-dessus du bain et exercent leur action pratiquement sur toute la largeur.
Dans ce cas,on fait déboucher dans ces brûleurs 4 des tuyères de construction appropriée dans lesquelles on irjecte en mélan- ge et en quantité réglable des matières ou des fluides qui sont nécessaires pour la formation de la couche protectrice oxydante, réductrice, neutre ou goudronneuse.
Le procédé pour la formation d'une couche protectrice se réa lise d'une manière particulièrement favorable lorsque la matière servant de protection est conduite par des tuyères sur la surfac du bain. Ces tuyères de protection ne sont de préférence pas mises en service immédiatement après le commencement de l'opéra tion vu que dans la première partie du traitement l'action oxy- dante de la flamme de chauffage ne dérange pas encore aussi for- tement le fonctionnement, mais seulement après la fusion de la charge. Si la tuyère protectrice est alimentée au moyen de gaz, il est à recommander d'employer pour la fin de la fabrication une alimentation supplémentaire au moyen de goudron.
Les fig. 9 et 10 montrent un exemple de réalisation de l'ob- jet de l'invention. 30 est l'amenée de gaz,31 l'arrivée d'air.
La tuyère de bruleur 32 avec l'ouverture 33 et le bandage 34 entourant cette ouverture se trouve devant l'ouverture d'entrée 35 vers l'intérieur du four.
Dans la chambre de combustion préalable se trouve placée librement la tuyère de mélange 36 de façon que du côté de la sortie du four les gaz brûlés puissent également s'échapper en passant autour de celle-ci versles chambres, de régénérateurs.
37 sont les canaux qui,suivant la présente invention sont dispo- sés en-dessous de la tuyère de mélange et par lesquels le gaz protecteur,qui est dans le cas présent par exemple le même que le gaz de combustion,est introduit à l'intérieur du four de façon à se répandre autant que possible sur toute la surface
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du bain et à former une couche protectrice entre la flamme de chauffage et le bain. Le dispositif d'obturation au moyen duquel pendant les premiers temps de la mise en marche les canaux 37 sont coupés ne sont pas représentés aux dessins.
A la place de ces canaux 37 ou bien en même temps que ceux-ci,on peut encore prévoir des tuyères 38 disposées latéralement,qui sont dirigées vers des endroits situés en¯dessous de la flamme quittant les tuyères de mélange et qui fonctionnent avec de la vapeur de goudron ou avec un gaz protecteur approprié quelconque sous une pression suffisante.
Si par les tuyères protectrices il parvenait de l'airfroid ou de la vapeur de goudron froide sur la surface du bain,on ub- serverait cet inconvénient que la température du bain serait réduite. C'est pourquoi on peut avantageusement réaliser l'in- vention de telle façon que du canal d'air qui s'élève,une partie de l'air chaud est attirée dans la tuyère protectrice (le canal de protection). Il est vrai qu'il se produit ainsi en partie une combustion et par conséquent une dilution des gaz protecteurs.
Mais ceci est plus que compensé par l'avantage du réchauffage produit. Si dans certaines circonstances un bruleur protecteur suffit déjà il est @ toutefois avantageux de disposer les canaux amenant le gaz protecteur des deux côtés en-dessous dela tuyère de mélange pour couper,du côtéde l'entrée des flam- mes,la partie du courant d'air qmi ne serait pas entrainée par la tuyère de mélange mais pourrait glisser latéralement par rapport à celle-ci. L'action de la tuyère de mélange est de ce fait encore augmentée et cela sans qu'on doive redouter une plus forte oxydation du bain. Une semblable disposition est repré- sentée par exemple aux fig. 11 et 12.
On a désigné par 39 l'ar- rivée d'air, par 40 la tuyère par laquelle le gaz de combustion est introduit dans le four, par % 41 la tuyère de mélange, par 42 les canaux protecteurs par lesquels le gaz protecteur intro- duit au moyen de la tuyère 43 parvient l'intérieur du four et sur la surface du bain. Dans son trajet de la tuyère 43 dans le canal protecteur 42,le gaz protecteur entraine une par- tie de l'air chaud s'élevant dans le canal d'air 39 et parvient
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à l'état réchauffé à l'intérieur du four.
Dans le cas où la tuyère de mélange est alimentée au moyen de gaz riches et froids,il est à recommander d'effectuer un mé- lange répété avec de l'air chaud, ceci peut se faire par exemple de la manière représentée aux fig. 13 et 14.44 est ici la tuyè- re de mélange et 45 la tuyère par laquelle le gaz de combustion parvient dans le four.
Cette dernière débouche dans un canal auxiliaire 47 qui est branché sur le canal d'air 46 en-dessous de la tuyère de mélange 44 et qui est de nouveau en communica- tion,en face de la tuyère de mélange 44, avec le canal d'air principal 46 par un canal 48 en forme de tuyère. on obtient de cette manière ce résultat que le courant de gaz est mélangé à de l'air chaud la première fois lors du passage à travers le canal d'air auxiliaire 47 et la seconde fois lors du passage à travers le canal d'air principal 46. on obtient ainsi un meilleur mélange du gaz froid avec l'air chaud et par conséquent aussi un meil- leur fonctionnement de la tuyère de mélange 44. les gaz protec- teurs sont conduits à l'intérieur du four et sur la surface du bain par les canaux 49 qui sont disposés des deux côtés de la tuyère de mélange en-dessous de celle-ci.
Le dispositif de la présente invention peut s'employer aussi avec avantage dans les fours dans lesquels la tuyère de mélange n'est pas placée librement dans la chambre de combustion préalable.
On a reconnu,dans le fonctionnement de grands fours à régéné- ration,en particulier de fours Siemens-Martin,qu'il n'est possi- ble d'atteindre um rendement élevé du four et un fonctionnement économique que lorsque la flamme reste surtoute la longueur du four en contact intime avec le bain et ne suit pas la tendance ascensionnelle naturelle qui refoule la flamme vers le point le plus élevé du four c'est à dire en l'écartant du bain. On a essaya de résoudre ce problème en faisant entrer le gaz dans lachambre de fusion en un courant bien délimité dans la direction du bain et avec une grande vitesse,de façon que par suite de sa force vive il se maintienne sur la surface du bain jusqu'à l'extrémité de la chambre de chauffage ou de fusion.
Une semblable disposition
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présente cet inconvénient que le courant gazeux ne brûle pas com plètement car on ne peut pas obtenir un mélange suffisamment intime avec l'air. Les essais dirigés dans ce sens n'ont pas jusqu'à présent donné de résultats satisfaisants,d'autant plus que par suite de l'augmentation de vitesse,l e bon mélange nécessai re est rendu difficile.
En cas d'emploi d'un courant gazeux bien délimité, il se présente encore une autre circonstance défavorable.Le courant délimité ne passe pas en effet sur le bain sur toute sa largeur mais comme il forme seulement une sorte de et,il ne le frappe qu'en son milieu qui est alors seul chauffé non seulement par rayonnement mais aussi par contact tandis que les autres parties du bain absorbent simplement de la chaleur de rayonnement.
Dans les fours de plus petites dimensions,on peut éviter cet effet défavorable du courant gazeux bien délimité en subdivi- sant celui-ci ,c'est à dire en faisant entrer le gaz par plusieurs canaux ou tuyères répartis sur la largeur du four. Dans les grands fours,la subdivision n'est pas possible en elle-même car avec les grandes longueurs de sole,l a flamme se répand facilement dans l'espace et ne peut pas être maintenue sur la surface du bain. La surface du courant de gaz est très grande par rapport à sa masse et le frottement est par conséquent tellement fort que la force vive du gaz ne suffit pas même avec une vitesse d'entrée aussi élevée ,pour faire rester la flamme contre le bain sur toute la longueur de la sôle.
Si le courant de gaz large et plat est maintenu en contact avec le surface du bain par le fait que l'on abaisse la voûte au point que la flamme n'a pas la possibilité de se recourber vers le haut, on perd les avantages du libre déploie- ment des flammes,outre que dans les fours récents du type Siemens- Martin,on ne peut pas travailler avec une voute abaissée sur tout le bain parce que les poches de la machine à charger exigent un espace considérable entre le bain et la voût e.
Le problème consistant à obtenir une large flamme qui reste en contact étroit avec le bain sur toute la longueur de celui-ci est résolu suivant la présente invention par le fait que le gaz est
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introduit en une large couche plate et subit une déviation en au !.;oins un point au-dessus de la sole dans la direction du bain c'est à dire que la flamme se détachant du bain est obligée de se détourner dans la direction du bain.
Pour faire dévier la flamme vers le bain,on peut employer par exemple des parois directrices spéciales qui font saillie sur la voûte du four.
On parvient toutefois à maintenir un large courant de gaz en contact avec le bain sur toute la longueur de la @ sole par le fait qu'on fait descendre la voûte par place,au-dessus du bain,d'une quantité telle que la flamme est ainsi refoulée sur le bain.Il se forme ainsi dans la voûte certaines arches en ceinture, qui représentent les endroits surbaissés de la voûte de la chambre de fusion. Il suffira en général de prévoir deux arches de ce genre formant ceintures,l'une pas trop loin en ar- rière de l'entrée des flammes dans le four et l'autre dans une position crrespondanteà l'autre extrémité de la sole,cette dernière servant alors à refouler encore jusque sur le bain la flamme élargie avant la sortie.
La caractéristique essentielle de cette disposition consiste en ceque ces arches en ceinture sont disposées au-dessus de la sole ou au-dessus du bain et non, comme fêtait 1"habitude jusqu'à présent,comme terminaisons de la tête de bruleur du côté de la voûte de la sole,auquel cas elles sont alors habituellement au-dessus des autels.
Un four construit de cette manière est représenté aux fig.15 à 17 en différentes coupes.Le gaz et l'air sont introduits sépa rément par les canaux 21 et 22. Ces canaux sont dirigés vers le bain de façon que la flamme brûle d'abord dans la direction du bain. 23 sont les arches de ceintures surbaissées du four dont on n'a représenté qu'une moitié. En ces endroits le courant de gaz acquiert une composante vers le bas,c'est à dire que la flamme qui se détache est refoulée à nouveau sur le bain. Sui- vant la longueur du four on peut prévoir plusieurs arches de ce genre en ceintures.
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Le gaz sortant du canal de gaz plat subit, comme on l'a déjà dit,un frottement intense.Il est par conséquent facilement dé- tourné par des custacles mécaniques.De semblables obstacles mé- caniques se forment facilement par le fait que de l'écume de scorie ou des projections de scorie se rassemblent sur le fond du canal de gaz, surtout à son extrémité tournée vers le canal de chauffage. ces ostacles peuvent suffire pour détourner le courant gazeux de la charge. pour éliminer les dérangements qui en résultent dans le fonctionnement du four,les canauxde gaz sont rendus facilement accessibles de l'extérieur. Les canaux de gaz sont à cet effet prolongés vers l'arrière à travers la maçonnerie du four et sont fermés par des portes 24 qui peuvent être ouver- tes facilement et par lesquelles on peut supprimer les obstacles du fond du canal.
A cause de la grande chaleur à laquelle les parties surbaissées sont soumises,l'usure de ces pièces peut être telement considérable que les réparations s'y répètent continuelle ment. En pareil cas,le four n'est pratiquement utilisable,au poini de vue de l'économie industrielle que lorsque les arches en cein- tures en particulier leur partie la plus basse,sont préservées suivant la présente invention,d'une destruction rapide, par un refroieissement, On peut employer pour le refroidissement de l'air ou de l'eau ou bien on peut aussi prévoir un refroidisse- ment combiné à l'air et à l'eau. La coupe 17 montre un semblable refroidissement combiné. Entre les pierres 25 se trouve un tuyau plat 26 qui est parcouru par de l'eau et extrait de la chaleur des pierres de sorte que celles-ci sont mises à l'abri de la fu- sion.
Le tuyau 26 est maintenu par des pierres d'espacement 27 qui sont placées à certaines distances l'une de l'autre de façon qu'il reste entre elles des ouvertures.Par la tubulure 28 qui est fixée dans une plaque de fermeture 29,de l'air froid pénètre pour refroidir les pierres 25 et également le tuyau 26' Après avoir baigné les pièces à refroidir,l'air pénètre dans la chambre de chauffage où il sert encore d'agent de refroidissement pour la voûte.
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C'est un fait connu que les propriétés de l'acier fabriqué au four Siemens-Martin, dépendent très fortement de la nature des gaz avec lesquels l'acier tient en contact pendant la fabri- cation .On sait que la vapeur d'eau et l'oxygène ont une action nuisible. l'hydrogène est considéré en général comme inoffensif et cela d'autant plus qu'il agit comme réducteur et parce qu'il est également connu qu'on peut obtenir par réduction, au moyen d'hydrogène,du fer qui possède en lui-même des propriétés avan- tageuses.
On a toutefois observé qu'aux températures d'environ 1000 et plus qui sont à envisager pour la fusion dans le four Siemens-
Martin, l'hydrogène influence très défavorablement les propriétés de l'acier. il se produit peut-être à ces températures des combi- naisons chimiques ou des transformations quelconques d'une autre nature difficile à établir, qui nuisent considérablement aux propriétés de résistance de l'acier. C'est pourquoi l'on peut, suivant la présente invention,réaliser le procédé de production d'acier au four Siemens-Martin de telle manière que l'acier ne vienne en contact qu'avec des gaz qui sont pratiquement exempta d'hydrogène. Il faut donc non seulement écarter avec soin l'hydro- gènenais aussi la vapeur d'eau et les hydrocarbures comme on en rencontre régulièrement dans les gaz de gazogène et dans les autres gaz de foyer usuels.
Le procédé se réalise d'une manière particulièrement avantageu- se par le fait qu'on emploie un chauffage au poussier de charbon dans lequel on brûle un combustible pauvre en gaz,par exemple du coke,du semi-coke,ou du charbon maigre.
On peut employer également pour le chauffage du four, des gaz pratiquement exempts d'hydrogène,par exemple des gaz de haut- fourneasu,Comme ces derniers seuls ne donnent pas des températures suffisantes,ils sont combinés à un foyer supplémentaire par exem- ple à un chauffage à poussier de charbon. Le poussier de charbon est insufflé soit au moyen d'air, soit mieux encore au moyen de gaz de gaut-fourneau,dans le courant de gaz de haut-fourneau. On peut également employer un gazogène à fusion des scories,qui fonctionne
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sans vapeur d'eau, à condition d'employer de préférence un charbon aussi pauvre que possible en gaz ou bien du coke ou du semi-coke.
On peut réaliser le procédé de telle manière qu'un gaz com bustible totalement ou approximativement exempt d'hydrogène est conduit au-dessus du bain de façon à lécher ce bain surtoute sa largeur et à ne pas se mélanger complètement à l'air de combustion envoyé au-dessus. On obtient de cette manière ce résultat que l'air de combustion est maintenu écarté complète- ment du bain pendant la fusion et pendant le finissage. Le cou rant de gaz est injecté en une large couche plate qui lèche toute la surface du bain. Il faut veiller en particulier à ce que sur les côtés du courant gazeux également il ne puisse pas se produire de tourbillonnements par lesquels l'air de combustion entrainé par le courant gazeux viendrait en contact avec la surface du bain.
On a observé que cet effet du traitement du bain à l'abri de l'hydrogène et de l'oxygène peut encore être considérablemen augmenté lorsqu'on mélange au gaz combustible du poussier de charbon.La qualité de l'acier produit est ainsi considérable- ment améliorée et il est même possible de travailler avec un gaz combustible moins pur. Une minime teneur en hydrogène est beaucoup moins nuisible en présence du carbone finement répar- ti. Ceci est dû peut être au fait que le carbone possède aux températures élevées une action réductrice beaucoup plus grande que l'hydrogène et au fait qu'il empêche dans une certai ne mesure la naissance des transformations nuisibles qui,au- trement sont provoquées par l'hydrogène.
Le procédé peut en outre se réaliser de telle manière qu'on introduit dans la chambre de la sole,outre le gaz et l'air de combustion,du poussier de charbon,et cela de telle manière qu'il est insufflé par des tuyères particulières débouchant di- rectement dans la chambre de la sole. le poussier de charbon peut en outre être insufflé de telle manière qu'il se mélange dans la chambre de la sole, aux gaz entrent par la carneau de gaz.
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On peut toutefois aussi l'injecter de telle façon qu'il arrive en¯dessous de ce courant gazeux et forme une atmosphère protec- trice de poussier de charbon entre le courant de gaz et le bain.
Il peut en outre être insufflé de telle manière qu'il remplit les coins de la chambre de la sole, coins qui ne sont pas bai- gnés complètement par le courant gazeux. On évite ainsi qu'il se rassemble dans ces coins de l'air de combustion pouvant exer- cer une action oxydante.
On obtient l'un ou l'autre effet suivant la disposition des tuyères à poussier de charbon. On peut disposer ces tuyères sur le côté du carneau de gaz ou en-dessous du carneau de gaz et l'on peut leur donner une direction qui,suivant les besoins, est plus ou moins parallèle à l'axe longitudinal ou inclinée sur l'axe longitudinal du @our. Pour l'injection du poussier de charbon,on peut employer de l'air ou un gaz approprié. l'action du poussier de charbon introduit peut être amélio- rée par le fait qu'on injecte du poussier de différentes gros- seurs de grains c'est à dire du poussier de charbon finement moulu qui reste en suspensions longtemps dans le courant gazeux et du poussier en plus gros grains qui'se dépose plus ou moins rapidement sur le bain.
Ces deux genres de ooussier peuvent être injectés soit en mélange par les mêmes tuyères,soit au moyen de tuyères particulières séparées. Le poussier de charbon finement moulu serralors principalement à augmenter l'action réductrice de la flamme et la température ,tandis que le poussier de charbon plus gros tombe pour la plus grande partie sur le bain et exerce une action réductrice sur la surface de celui-ci. la manière dont le poussier à gros grains est introduit est indifférente,pourvu qu'il soit répartie uniformément et ré- gulièrement. L'introduction pourrait par exemple se faire au moyen d'appareils de projection quelconque ou même à la main pourvu que la répartition correcte et l'arrivée régulière soient obtenues de facon satisfaisante.
@n a déjà proposé de jeter du charbon sur le bain en vue de la réduction des scories. On a par exemple jeté dans ce but des morceaux d'électrodes ou bien on a projeté sur la scorie des
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pelletées de coke menu. Suivant la présente invention,le pous- sier de charbon en menu morceaux est au contraire introduit de façon continue et uniforme et cela de préférence defacon qu'il se répartisse sur toute la surface du ba n et descende sur cel- le-ci.
On obtient ainsi une action beaucoup plus sure et plus uniforme et on exerce une influence fortement réductrice sur la scorie, on a observé dans tous lescas que par l'addition d'un peu de poussier de charbon en plus grosmerceaux au poussier fin, on augmente non seulement la résistance mais aussi la tena- cité de l'acier et qu'on améliore en particul ier les propriétés qui résultent de l'essai de frappe avec entaille.
Les proportions du mélange du poussier finement moulu et de poussier en plus gros morceaux peuvent être modifiées dans les limites les plus larges. Il est également possible d'employer un poussier de charbon qui possède une grosseur de grain moyenne ce,± qui a pour effet que les particules restent en partie en suspension et tombent en partie sur le bain. La nature la plus avantageuse du poussier de charbon est déterminée de pré- férence spécialement par des essais pour chaque exploitation de four et pour chaque disposition particulière des tuyères.
On peut obtenir un acier de qualité particulièrement élevée ayant de fortes propriétés de résistance lorsqu'après la désoxy dation on laisse reposer la charge jusqu'à que se soit produite une séparation étendue des impuretés c'est à dire qne séparation des constituants suiaant leur poids spécifique. Avec d'autres modes de conduite du four Siemens-Martin,ceci n'est pas possible.
On peut bien laisser la charge reposer longtemps et provoquer une séparation étendue des impuretés,mais on observe alors réguliè¯ rement que l'acier n'a pas subi d'amélioration de ses propriétés mais est même,dans certaines circonstances, devenu plus mauvais.
Il est nécessaire en général de carburer à nouveau l'acier après un long repos de la charge,ce qui rend alors nécessaire une nou a ' telle velle épurtion. Si au contraire on travaille de façon quemême pendant le repos de la charge on introduit constamment et uni- formément du poussier,de charbon ou bien du poussier et de gros
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grains de charbon,on obtient immédiatement aprèsle repos un acier qui, éventuellement après addition de matières d'alliage comme le ferro-silicium,présente des propriétés remarquables de résistance et en particulier une grande ténacité à l'entailla ge et une limite d'élasticité élevée.
On obtient donc suivant ce procédé dans le four Siemens-Martin,même suivant le traite- ment basique, les memes bons résultats que ceux obtenus seule- ment jusque présent au four électrique ou au four à creuset. il a déjà été dit qu'on obtient une qualité dicter particu- lièrement avantageuse lorsqu,on forme une atmosphère protectrice de poussier de charbon entre le courant de gaz et le bain.Sui- vant la présente invention,on ne commence l'amenée de poussier de charbon qu'après la fin de la période d'affinage. Pendant la période d'affinage, on évite toute formation d'un boile pro- tecteur.
Il est par contre très bien possible d'introduire du poussier de charbon également pendant la période d'affinage à condition de le mélanger à de l'air de façon que l'action oxydan te sur le bain ne soit pas supprimée. Celte introduction de poussier de charbon mélangé à l'air pendant la période d'affina- ge présente cet avantege qu'on produit une flamme particulière- ment chaude et qu'on obtient des conditions plus avantageuses pou : l'épuration subséquente,en particulier pour l'élimination du soufre et du phosphure.Ceci s'applique particulièrement au traitement basique.
REVENDICATIONS.
1) Procédé de fabrication d'acier au four Siemens-Martin,carac- térisé en ce qu'au moins à partir de la fin de l'opération d'af- finage, les matières à action oxydante parvenait dans le four ou prenant naissance dans celui-ci sont maintenues écartées de la charge.
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Siemens-Martin furnace steel fabrication process
The present invention consists in that in the production of steel in the Siemens-Martin furnace, at least from the end of the refining, the oxidizing materials arrive in the furnace or originate in it are maintained away from the load.
Five phases can be distinguished in the manufacture of steel in the Siemens-Martin furnace: smelting, refining (i.e. elimination of impurities by oxidation), deoxidation, l deposition (c (ie the classification in order of density) and the formation of the alloy. In the first two of these five phases, the oxidizing action of the flame is not harmful.
On the contrary, it is in the last three phases because then new oxygenated combinations always pass through the steel again. way of slag. As in the last three
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These phases require particularly high temperatures, the oxidizing action of the flame is all the more intense.In other processes, for example in the crucible process and in the electrical process, in which there is no oxidizing action of the flames, it is possible to deoxidize for a long time and leave to stand for a long time, then to make the alloy at rest without the expensive alloying materials escaping by oxidation under the influence of the flame.
This possibility did not exist until now in the Siemens-Martin process; it is achieved according to the present invention by the fact that at least from the end of the refining operation, the influence of the oxidizing constituents is eliminated.
For example, to carry out the process, it is possible to place between the heating flame and the load a protective layer which, by its constitution, is completely independent of the heating flame and which is chosen in such a way that it is possible with it perform the chemical actions that are necessary. Since the heating flame generally exerts an oxidizing action, this protective layer in question will generally be of such a nature that it possesses a reducing or neutral action.
The protective layer should extend like a veil, ie flat as much as possible, over the entire load. this is necessary for two reasons, firstly because it has to protect the entire surface of the bath from the heating flame and secondly because too thick a protective layer would exert, because of the acid carbon dioxide that it may contain, too strong an absorbent effect on the heat radiation and thus adversely affect the action of the heating flame on the bath.
This way of proceeding can be carried out in different ways. The main thing is to form the protective layer between the heating flame and the load. It is further desirable that the composition of the layer can be changed as required. The formation of the heating flame or the construction of the burners for this flame is of no importance; the idea which is the basis of the invention is on the contrary applicable to any burner construction of the Siemens-Martin system
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provided that the protective layer placed below is prevented from being pierced and destroyed.
The accompanying drawings show different embodiments of the idea of the invention. The latter is most easily carried out in the manner shown in FIGS. 1 and 2,
1 is the melting chamber, 2 is the air channel and 3 is the gas channel which is subdivided into three parts and extends practically over the entire width of the hearth chamber. From below open into these gas channels pipes 4 and 5, the openings 6 of which are in the bottom of the gas channel. These conduits supply the gases which are necessary to transform as necessary the reducing action of the gases passing over the. sole in an oxidizing or neutral action. For this purpose, it is for example possible to introduce a certain quantity of air by 5, or else 5 and 4.
But we can also send additionally into the gas channel by 4 or 5 ga.z of combustion or we can send by one of the ducts air and the other tar because it has been established that the flame of tar exerts a particular action on the bath. In the event of a reversal, the conduits can also be reversed in the @ ending at 4 and 5. If only very small quantities are involved, this reversal can also be neglected and the gases from the gas escaping. side of the outlet in the regenerator chambers.
In fig. 3 and 4,1st gas flue is divided into two parts
3 and 4. While 3 serves only for the heating flame and the pre-combustion chamber 5 forms a mixture burner, the gas flue 4 only serves to produce the protective layer in combination with channel 6 and openings
7 which can bring again the gases already mentioned.
Figs. 5 and 6 show an arrangement in which the protective layer is produced by a direct hearth 4, the gases of which are conducted by means of three compartments in the melting chamber so as to be located between the heating flame and the bath. By adjusting the primary air sent to the hearth 4, it is possible to produce between the flame and the bath, as required, an oxidizing, reducing or neutral layer. ,
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Finally shown in figs 7 and 8 a mixture burner for hot gases and hot air corresponding to the flues
2 and 3, while the protective layer is produced in this case by five burners 4, which are again directly above the bath and exert their action practically over the entire width.
In this case, nozzles of suitable construction are discharged into these burners 4 into which are injected in a mixture and in an adjustable quantity the materials or fluids which are necessary for the formation of the oxidizing, reducing, neutral or tarry protective layer. .
The process for the formation of a protective layer is carried out in a particularly favorable manner when the material serving as protection is conducted by nozzles on the surface of the bath. These protection nozzles are preferably not put into service immediately after the start of the operation, since in the first part of the treatment the oxidizing action of the heating flame does not yet disturb the operation so strongly. , but only after the charge has melted. If the protective nozzle is supplied with gas, it is recommended to use for the end of the production an additional supply by means of tar.
Figs. 9 and 10 show an embodiment of the object of the invention. 30 is the gas supply, 31 the air supply.
The burner nozzle 32 with the opening 33 and the bandage 34 surrounding this opening is located in front of the inlet opening 35 towards the interior of the oven.
The mixing nozzle 36 is freely placed in the pre-combustion chamber so that on the side of the furnace outlet the burnt gases can also escape by passing around it towards the chambers of the regenerators.
37 are the channels which according to the present invention are arranged below the mixing nozzle and through which the protective gas, which in the present case is for example the same as the combustion gas, is introduced to the outlet. inside the oven so as to spread as much as possible over the entire surface
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of the bath and forming a protective layer between the heating flame and the bath. The closure device by means of which during the first stages of the start-up the channels 37 are cut off are not shown in the drawings.
Instead of these channels 37 or at the same time as these, it is also possible to provide nozzles 38 arranged laterally, which are directed towards places situated below the flame leaving the mixing nozzles and which operate with tar vapor or with any suitable shielding gas under sufficient pressure.
If through the protective nozzles cold air or cold tar vapor were to reach the surface of the bath, this inconvenience would be that the temperature of the bath would be reduced. Therefore, the invention can advantageously be implemented in such a way that from the rising air channel part of the hot air is drawn into the protective nozzle (the protective channel). It is true that this partly results in combustion and consequently a dilution of the protective gases.
But this is more than offset by the advantage of product reheating. If in certain circumstances a protective burner is already sufficient, it is however advantageous to arrange the channels supplying the protective gas on both sides below the mixing nozzle in order to cut off, on the side of the flame inlet, the part of the current d. air qmi would not be entrained by the mixing nozzle but could slide laterally relative to it. The action of the mixing nozzle is therefore further increased and this without fear of stronger oxidation of the bath. A similar arrangement is shown, for example, in FIGS. 11 and 12.
We denote by 39 the air inlet, by 40 the nozzle through which the combustion gas is introduced into the furnace, by% 41 the mixing nozzle, by 42 the protective channels through which the protective gas is introduced. produced by means of the nozzle 43 reaches the interior of the furnace and on the surface of the bath. In its path from the nozzle 43 into the protective channel 42, the protective gas entrains part of the hot air rising in the air channel 39 and arrives
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in the warmed state inside the oven.
In the case where the mixing nozzle is supplied by means of rich and cold gases, it is recommended to carry out repeated mixing with hot air, this can be done for example in the manner shown in figs. 13 and 14.44 here are the mixing nozzle and 45 the nozzle through which the combustion gas enters the furnace.
The latter opens into an auxiliary channel 47 which is connected to the air channel 46 below the mixing nozzle 44 and which is again in communication, opposite the mixing nozzle 44, with the channel d. main air 46 through a nozzle-shaped channel 48. in this way this result is obtained that the gas stream is mixed with hot air the first time when passing through the auxiliary air channel 47 and the second time when passing through the main air channel 46. This results in a better mixing of the cold gas with the hot air and hence also a better operation of the mixing nozzle 44. The shielding gases are conducted inside the furnace and over the surface of the furnace. bath by the channels 49 which are arranged on both sides of the mixing nozzle below it.
The device of the present invention can also be employed with advantage in furnaces in which the mixing nozzle is not placed freely in the preliminary combustion chamber.
It has been recognized in the operation of large regenerative furnaces, in particular Siemens-Martin furnaces, that high furnace efficiency and economical operation can only be achieved when the flame remains mostly the length of the furnace in intimate contact with the bath and does not follow the natural upward tendency which pushes the flame towards the highest point of the furnace, that is to say away from the bath. An attempt has been made to solve this problem by causing the gas to enter the fusion chamber in a well-defined current in the direction of the bath and with a high speed, so that, by virtue of its dynamic force, it remains on the surface of the bath until 'at the end of the heating or melting chamber.
A similar provision
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has the disadvantage that the gas stream does not burn completely because it is not possible to obtain a sufficiently intimate mixture with the air. Tests directed in this direction have so far not given satisfactory results, all the more so as owing to the increase in speed, the necessary good mixing is made difficult.
If a well-defined gas stream is used, yet another unfavorable circumstance arises: the limited current does not in fact pass over the bath over its entire width, but as it only forms a kind of and, it does not strikes that in its middle which is then only heated not only by radiation but also by contact, while the other parts of the bath simply absorb radiation heat.
In furnaces of smaller dimensions, this unfavorable effect of the well-defined gas stream can be avoided by subdividing the latter, that is to say by allowing the gas to enter through several channels or nozzles distributed over the width of the furnace. In large ovens, the subdivision is not possible in itself because with the long hearths, the flame spreads easily in space and cannot be maintained on the surface of the bath. The surface of the gas stream is very large in relation to its mass and the friction is therefore so great that the force of the gas is not sufficient even with such a high inlet speed, to make the flame stay against the bath on the entire length of the sole.
If the broad, flat gas stream is kept in contact with the surface of the bath by lowering the arch so that the flame does not have the opportunity to curl upward, the benefits of free deployment of the flames, apart from the fact that in recent ovens of the Siemens-Martin type, it is not possible to work with a lowered roof over the entire bath because the pockets of the loading machine require a considerable space between the bath and the bath. vaulted.
The problem of obtaining a large flame which remains in close contact with the bath over the entire length thereof is solved according to the present invention by the fact that the gas is
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introduced in a wide flat layer and undergoes a deflection at the!.; at a point above the sole in the direction of the bath, that is to say that the flame separating from the bath is forced to turn in the direction of the bath. bath.
To deflect the flame towards the bath, for example, special guide walls can be used which protrude from the roof of the oven.
However, it is possible to maintain a large current of gas in contact with the bath over the entire length of the sole by the fact that the vault is lowered by place, above the bath, by an amount such that the flame is thus pushed back on the bath. In the vault, certain arches in the belt are thus formed, which represent the low places of the vault of the fusion chamber. It will generally suffice to provide two arches of this kind forming belts, one not too far behind the entry of the flames into the furnace and the other in a position corresponding to the other end of the hearth, this the last one then used to push the enlarged flame back onto the bath before leaving.
The essential feature of this arrangement is that these belt arches are arranged above the floor or above the bath and not, as was the custom until now, as endings of the burner head on the side of the bath. the vault of the hearth, in which case they are then usually above the altars.
A furnace constructed in this way is shown in figs. 15 to 17 in different sections. Gas and air are introduced separately through channels 21 and 22. These channels are directed towards the bath so that the flame burns out. first in the direction of the bath. 23 are the arches of the lowered belts of the oven, of which only half has been shown. In these places the gas stream acquires a downward component, that is to say that the flame which is detached is returned to the bath. Depending on the length of the furnace, several arches of this kind in belts can be provided.
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The gas leaving the flat gas channel is subjected, as already said, to intense friction and is therefore easily deflected by mechanical custacles. Similar mechanical obstacles are easily formed by the fact that slag scum or slag splashes collect on the bottom of the gas channel, especially at its end facing the heating channel. these obstacles may be sufficient to divert the gas stream from the charge. to eliminate the resulting disturbances in the operation of the oven, the gas channels are made easily accessible from the outside. The gas channels are for this purpose extended rearwardly through the brickwork of the furnace and are closed by doors 24 which can be easily opened and through which obstacles can be removed from the bottom of the channel.
Because of the great heat to which the lowered parts are subjected, the wear of these parts can be so considerable that repairs are continually repeated. In such a case, the oven is practically usable, from the point of view of industrial economy, only when the belt arches, in particular their lower part, are preserved according to the present invention, from rapid destruction, Air or water cooling can be used for cooling, or combined air and water cooling can also be provided. Section 17 shows a similar combined cooling. Between the stones 25 is a flat pipe 26 which is traversed by water and extracts heat from the stones so that they are protected from melting.
The pipe 26 is held by spacer stones 27 which are placed at certain distances from each other so that openings remain between them. By the pipe 28 which is fixed in a closure plate 29, cold air enters to cool the stones 25 and also the pipe 26 'After bathing the rooms to be cooled, the air enters the heating chamber where it still serves as a cooling agent for the vault.
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It is a known fact that the properties of steel produced in the Siemens-Martin furnace depend very strongly on the nature of the gases with which the steel comes into contact during manufacture. We know that water vapor and oxygen have a deleterious effect. hydrogen is generally considered harmless and all the more so since it acts as a reducing agent and because it is also known that it is possible to obtain by reduction, by means of hydrogen, iron which has in it- even advantageous properties.
However, it has been observed that at temperatures of around 1000 and above which are to be considered for melting in the Siemens furnace-
Martin, hydrogen has a very negative influence on the properties of steel. chemical combinations or some other difficult-to-ascertain transformation or other type of change which is very detrimental to the strength properties of the steel may occur at these temperatures. It is therefore possible, according to the present invention, to carry out the process for producing steel in a Siemens-Martin furnace in such a way that the steel comes into contact only with gases which are practically free from hydrogen. . It is therefore necessary not only to carefully remove the hydrogen, but also water vapor and hydrocarbons, as are regularly encountered in gasifier gases and in other usual combustion gases.
The process is carried out in a particularly advantageous manner in that a coal dust heater is employed in which a fuel lean in gas, for example coke, semi-coke, or lean coal, is burnt.
Gases practically free from hydrogen can also be used for heating the furnace, for example blast furnace gases. As the latter alone do not give sufficient temperatures, they are combined with an additional furnace, for example at coal dust heating. The coal dust is blown either by means of air, or better still by means of blast furnace gas, into the blast furnace gas stream. A slag melting gasifier can also be used, which operates
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without water vapor, on condition of using preferably a coal as low as possible in gas or coke or semi-coke.
The process can be carried out in such a way that a combustible gas wholly or approximately free of hydrogen is conducted over the bath so as to lick this bath over its entire width and not to mix completely with the combustion air. sent above. In this way the result is obtained that the combustion air is kept completely away from the bath during melting and during finishing. The gas stream is injected in a wide, flat layer which licks the entire surface of the bath. Particular care must be taken to ensure that on the sides of the gas stream also no vortices can occur whereby the combustion air entrained by the gas stream comes into contact with the surface of the bath.
It has been observed that this effect of treating the bath free from hydrogen and oxygen can be further increased considerably when coal dust is mixed with combustible gas. The quality of the steel produced is thus considerable. - improved and it is even possible to work with a less pure fuel gas. A small amount of hydrogen is much less harmful in the presence of finely distributed carbon. This may be due to the fact that carbon has at high temperatures a much greater reducing action than hydrogen and to the fact that it prevents to a certain extent the occurrence of harmful transformations which are otherwise caused by hydrogen. 'hydrogen.
The process can also be carried out in such a way that, in addition to the gas and the combustion air, coal dust is introduced into the hearth chamber, and this in such a way that it is blown by special nozzles. opening directly into the hearth chamber. the coal dust can also be blown in such a way that it mixes in the hearth chamber, with the gases entering through the gas flue.
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However, it can also be injected in such a way that it arrives below this gas stream and forms a protective atmosphere of carbon dust between the gas stream and the bath.
It can also be blown in such a way that it fills the corners of the hearth chamber, which corners are not completely washed away by the gas stream. This prevents combustion air from collecting in these corners which can exert an oxidizing action.
One or the other effect is obtained depending on the arrangement of the coal dust nozzles. These nozzles can be arranged on the side of the gas flue or below the gas flue and can be given a direction which, as required, is more or less parallel to the longitudinal axis or inclined on the longitudinal axis of @our. For the injection of the coal dust, air or a suitable gas can be used. the action of the introduced charcoal dust can be improved by injecting the dust of different grain sizes, that is to say finely ground charcoal dust which remains in suspension for a long time in the gas stream and larger grain dust which settles more or less quickly on the bath.
These two types of ooussier can be injected either as a mixture by the same nozzles or by means of separate special nozzles. The finely ground coal dust then acts mainly to increase the reducing action of the flame and the temperature, while the larger coal dust falls mostly on the bath and exerts a reducing action on the surface thereof. . It does not matter how the coarse-grained dust is introduced, provided it is distributed evenly and evenly. The introduction could for example be done by means of any projection apparatus or even by hand provided that the correct distribution and the regular arrival are obtained in a satisfactory manner.
@n has already proposed throwing charcoal on the bath for slag reduction. For example, pieces of electrodes were thrown away for this purpose, or
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scoops of menu coke. According to the present invention, the charcoal dust in small pieces is, on the contrary, introduced continuously and uniformly, and preferably so that it is distributed over the entire surface of the ba n and descends on it.
A much safer and more uniform action is thus obtained and a strongly reducing influence is exerted on the slag, it has been observed in all cases that by adding a little coal dust in larger hoops to the fine dust, we increase not only the strength but also the toughness of the steel and in particular that the properties which result from the notch impact test are improved.
The proportions of the mixture of finely ground dust and larger chunky dust can be varied within wider limits. It is also possible to use a charcoal dust which has an average grain size ce ± which causes the particles to remain partly in suspension and partly fall on the bath. The most advantageous nature of the coal dust is preferably determined especially by testing for each kiln operation and for each particular nozzle arrangement.
A particularly high quality steel with strong strength properties can be obtained when, after deoxidizing, the load is allowed to stand until extensive separation of the impurities has taken place, i.e. separation of the constituents according to their weight. specific. With other operating modes of the Siemens-Martin oven, this is not possible.
The charge may well be allowed to sit for a long time and cause extensive separation of the impurities, but then it is regularly observed that the steel has not undergone any improvement in its properties but has even, in certain circumstances, become worse.
It is generally necessary to re-carburize the steel after a long period of rest of the load, which then necessitates further stripping. If, on the contrary, we work in such a way that even while the load is resting, we introduce constantly and uniformly dust, coal or dust and coarse dust.
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grains of carbon, immediately after resting, a steel is obtained which, optionally after addition of alloying materials such as ferro-silicon, exhibits remarkable strength properties and in particular high notch toughness and elastic limit high.
According to this process, therefore, in the Siemens-Martin furnace, even following the basic treatment, the same good results are obtained as those obtained hitherto only in an electric furnace or in a crucible furnace. It has already been said that a particularly advantageous dictating quality is obtained when a protective atmosphere of coal dust is formed between the gas stream and the bath. According to the present invention, the supply of carbon is not started. charcoal dust only after the end of the ripening period. During the ripening period, any formation of a protective boil is avoided.
On the other hand, it is very well possible to introduce coal dust also during the refining period, provided it is mixed with air so that the oxidative action on the bath is not suppressed. This introduction of coal dust mixed with air during the refining period has the advantage that a particularly hot flame is produced and that more advantageous conditions are obtained for the subsequent purification, in particular. for the removal of sulfur and phosphide. This particularly applies to basic treatment.
CLAIMS.
1) Siemens-Martin furnace steel fabrication process, characterized in that at least from the end of the refining operation, the materials with oxidizing action reached the furnace or originated in it are kept away from the load.