<Desc/Clms Page number 1>
BREVET D ' I N V E N T I O N " Procède pour l'obtention régulière d'aciers à caractéristiques déterminées "
Il est connu que des aciers présentant la même analyse en tous les éléments ordinairement dosés, en dehors du métal de base, c'est-à-dire notamment le carbone, le silicium, le manganèse, le phosphore, le soufre et les métaux d'addition, présentent à l'usage des propriétés souvent très différentes.
On peut, en particulier, rencontrer de telles différences très importantes de propriétés, sur des pièces fabriquées en de tels aciers et amenées à l'état d'emploi, relativement aux caractéristiques mécaniques, aux propriétés physiques, notamment à l'aptitude à la trempe et à la cémentation,
<Desc/Clms Page number 2>
propriétés qui ont été souvent oitées comme des facteurs de qualité pour un acier déterminé.
Il est admis aujourd'hui qu'un tel ensemble de pro- priétés est fortement influencé par la grosseur du grain de l'acier et qu'en partioulier il se trouve en relation étroite avec les résultats que l'on obtient en soumettant l'acier, à l'essai institué par Mac Quaid et qui est défini, par exem- ple, par les conditions fixées par le Standard E.19-33 de l'Amerioan Society for Testing Materials.
La grosseur du grain constatée d'après cet essai sur un acier, et qui est dénommée dans la littérature technique des Etats-Unis, "Mac Quaid grain aize" sera appelée dans ce qui suit : '!grosseur de grain Mac Quaid",
Il est connu en particulier, pour n'en donner qu'un exemple, qu'un acier à 0,8 % de carbone, 0,250 de manga- nèse, 0,250 de silicium ayant une grosseur de grain Mac Quaid de 3 à 5 présente, lorsqu'il est trempé à 780 C à l'eau, une pénétration de trempe beaucoup plus importante qu'un acier d'analyse identique ayant une grosseur de grain Mac Quaid de 6 à 7 et possède de ce fait, à l'usage, des propriétés toutes différentes.
La possibilité de réaliser avec un acier d'analyse donnée, une grosseur de grain Mao Quaid choisie par avanoe, permet, d'une part, d'assurer, en produisant systématiquement et régulièrement un acier à grosseur de grain Mac Quaid
<Desc/Clms Page number 3>
prédéterminée, une régularité dans les propriétés d'utilisa- tion qui est tout-à-fait essentielle; d'autre part, donne la possibilité, avec une même analyse d'acier, d'obtenir à volonté, dans certaines limites pratiques, des caractéristi- ques différentes de dureté, de ductilité ou autres, en fai- sant varier la grosseur de grain Mac Quaid dans cet aaier.
Jusqu'à présent l'on travaillait dans le vague et malgré les moyens mis en oeuvre l'on n'était jamais sûr d'obtenir les propriétés recherchées; sur des coulées différentes d'un acier de même analyse et même sur une même coulée on obtenait des aciers ayant des grosseurs de grain Mac Quaid très différentes et par suite des propriétés dis- semblables et l'on était contraint de faire, après solidifi- cation des lingots, des essais physiques qui servaient à classer en différentes catégories les aciers obtenue. Ayant en vue une grosseur de grain Mac Quaid déterminée, il arri- vait même très fréquemment que cette grosseur de grain n'était atteinte pour aucun des lingots, ce qui ne permettait pas de les utiliser pour l'usage envisagé.
Très souvent même on obtenait des aciers à grosseur de grains extrême- ment mélangées ce qui Était encore plus défavorable.
Aussi, le fait de pouvoir produire systématiquement et régulièrement, à chaque coulée d'une fabrication d'un acier, les dimensions de grain Mac Quaid que l'on désire ou qui sont spécifiquement demandées par la clientèle, et
<Desc/Clms Page number 4>
pas d'autres, a-t-il industriellement une importance capitale.
Aucune explication, reposant sur des bases soienti- fiques établies et vérifiées expérimentalement, n'a jus- qu'ici été proposée pour expliquer les différences de gros- seurs de grain Mac Quaid constatées dans des aciers de même analyse. Différentes hypothèses ont été mises en avant, notamment celle reposant sur la formation d'inclu- sions visibles, mais elles ont dû être abandonnées succes- sivement. La tendanoe actuelle est d'attribuer une impor- tance prépondérante à la présence de particules réfractaires extrêmement petites, échappant à l'observation microscopique, et spécialement à la nature de ces particules invisibles et à leur état de dispersion dans le métal, mais ce n'est là encore qu'une hypothèse,
qui a en plus le défaut de faire intervenir des éléments échappant à toute investiga- tion matérielle; pas plus que les autres hypothèses, elle n'a pu conduire à des conclusions pratiques ni donner la solution du problème de l'obtention régulière de la gros- seur de grain Mac Quaid, voulue à l'avance.
Il est seulement connu en pratique, à l'heure actuelle, que des éléments d'addition habituels des aciers peuvent avoir, de ce point de vue, une influence très différente sur la grosseur de grain Mac Quaid; que certains d'entre eux, tels par exemple que l'aluminium et le vanadium, possèdent une action prépondérante sur la grosseur de grain Mac Quaid
<Desc/Clms Page number 5>
obtenue, mais l'action de ces éléments n'apparaît pas seule en cause et il est connu qu'une même addition d'un même élé- ment ou de plusieurs éléments toujours les mêmes, faite d'une opération à l'autre, mené. dans des conditions identiques, à des aciers de même analyse chimique, conduit fréquemment à des grosseurs de grains Mac Quaid très différentes.
Aussi les procédés métallurgiques connus actuellement n'ont ils pas encore permis l'obtention systématique et régulière de grosseurs de grain Mac Quaid choisies par avance.
Ceci est particulièrement vrai dans les aciers au carbone non alliés - appelés aux Etats-Unis "plain oarbon steels" - et pour la réalisation systématique des grosseurs de grains Mac Quaid intermédiaires et non mélangées (par exemple gros- seur 3 à 5 du Standard cité ci-dessus) dont la réalisation a été et est encore extrêmement difficile et d'un rendement extraordinairement faible et.demeure, on peut le dire, livrée, dans une très large.mesure, au hasard.
La présente invention apporte la solution pratique du problème, en ce sens qu'elle permet d'obtenir régulière- ment pour chaque qualité d'acier, les grosseurs de grain Mac Quaid compatibles avec l'analyse de l'acier, désirées par avance, ainsi que les caractéristiques de résistance et de ductilité que l'on se propose, parmi celles que peut fournir l'acier.
Ces résultats sont obtenus, conformément à l'invention, en soumettant l'acier à un ensemble de moyens
<Desc/Clms Page number 6>
conjugués comportant : a) l'additionna l'acier, quel que soit son degré d'oxy- dation, d'une même quantité, prédéterminée peur chaque cas, et supérieure à 0,050 %, d'un ou plusieurs corps réducteurs appelés couramment "désoxydants", tels par exemple que le silioium, le manganèse, ou le silioium et le manganèse, soue forme de ces corps simples ou d'alliage simple ou complexe à l'état solide ou liquide. Il n'est fait qu'une unique opé- ration d'addition de corps "désoxydants" au cours du procédé ou il en est fait plusieurs.
Une opération d'addition comporte l'adjonotion à l'acier, soit d'un seul et même "désoxydant", soit de plusieurs désoxydants ajoutés séparément ou simultané- ment. Le ou les désoxydants pourront être différents d'une opération à l'autre ou ne pas l'être. L'addition est faite soit antérieurement à toute autre opération du procédé géné- ral, soit simultanément avec les opérations définies en o) et d) ci-dessous, soit après l'une queloonque d'entre elles, soit après chacune d'elles;
dans chaque cas, elle comportera soit une addition unique, soit plusieurs additions faites à des stades différents, dans les oonditions de nature de désoxydant et de désoxydants visées oi-dessus. b) une même durée, également prédéterminée, de l'ao- tion de ce ou ces désoxydants sur l'acier dans le cas où. celui-ci est, au moment considéré, dans des conditions telles que la proportion de ces désoxydants dans l'acier puisse être
<Desc/Clms Page number 7>
non' influencée de façon/négligeable par une oxydation due à l'ambiance.
Si l'addition de désoxydants est faite sur bain nu ou sous, laitier fortement oxydé, il est recommandé de n'attendre, pour réaliser l'opération suivante, que le temps nécessaire pour que les désoxydants se soient diffusés dans le bain, Il y a également intérêt à faire cette attente d'autant plus courte que la teneur en carbone de l'aoier est plus faible. Sous laitier peu oxydé ou dans le cas du man - ganèse, ajouté comme seul désoxydant sous le laitier initial qui surnage au début de l'opération, l'attente pourra être plus longue mais, dans chaque cas, elle devra se rapprocher le plus possible d'une durée fixée à l'avance pour le cas particulier. c) la séparation de l'acier d'avec le laitier initial qui le surmonte.
Cette élimination est faite soit par déoras- sage du four contenant l'acier, soit en retenant le laitier dans le four au moment de la aoulée, soit en versanaaier et laitier dans une poche ou récipient intermédiaire et en coulant ensuite l'acier par le fond de cette poche. d) mise en contact, par quelque mode opératoire que ce soit. de l'acier, ainsi séparé de son laitier antérieur, et qui, dans le cas d'addition antérieure de corps "désoxy- dants" doit contenir encore des quantités relativement impor- tantes de ces corps, avec un laitier synthétique fondu., ba- sique, acide ou neutre, composé principalement d'oxydes à
<Desc/Clms Page number 8>
chaleur de formation très élevée tels que, par exemple, chaux, alumine, magnésie, silice, acide titanique.
Si ce laitier est acide, il peut contenir sans inconvénient des teneurs non négligeables en oxyde de manganèse. De toute façon, il doit être pauvre en oxyde de fer.
La mise en contact du laitier avec l'acier sera effec- tuée le plus tôt possible après les opérations précédentes et de façon que ce laitier recouvre rapidement l'acier, soit que l'on verse l'acier dans le laitier, dans les oonditions ordinaires de la pratique courante de la coulée des métaux ou aveo une violence telle que le laitier soit subdivisé fine- ment par l'impact du métal et soit disséminé dans la masse du métal mise en mouvement tourbillonnaire violent par son éner- gie cinétique soit qu'on place ce laitier synthétique dans un four où l'on introduit le métal, soit qu'on l'introduise dans le four même où l'on a fait l'opération antérieure.
A la rigueur, on peut ajouter les éléments de ce lai- tier à l'état solide, de préférence ohauffés à l'avance, à condition que la proportion de ceux-ci dans le laitier soit telle que l'on ait un laitier rapidement et faoilement fluide.
De toute façon, le laitier synthétique devra aooom- pagner l'acier jusqu'à la coulée en lingotière. e) Adjonction à l'aoier, après sa mise en contact avec le laitier synthétique fondu, d'une quantité, fixée d'avance, d'un corps dont l'aotion sur la grosseur de grain n
<Desc/Clms Page number 9>
Mac Quaid est spécialement énergique, comme par exemple le vanadium, le titane et tout spécialement l'aluminium. Cette addition est faite, en ajoutant ces corps, soit à l'état pur, soit à l'état d'alliages oontenant un ou plusieurs de ces éléments en quantité connue, et éventuellement d'autres éléments tels par exemple que du manganèse, du silicium, du fer, en quantité fixée d'avance.
L'addition des corps en question doit être faite à un instant aussi proche que possible de la solidification de l'acier en lingotière; elle peut être faite dans le four si on utilise un four, ou dans la poche de coulée, mais en- core mieux dans les lingotières. On coule à la manière habituelle l'aoier reposant sous le laitier synthétique.
Il est recommandé de couler dans des conditions toujours aussi semblables à elles-mêmes que possible pour des lin- gots déterminés en poids et en dimensions relatives.
Pour chaque qualité d'acier, une fois un mode opéra- toire, dans un four déterminé, choisi et bien défini, la nature et la quantité des additions de désoxydants, la durée d'attente d'action de ces désoxydants, s'il y a une attente, le mode d'élimination du laitier antérieur, la nature et la quantité de laitier synthétique mis en oeuvre étant eux- mimes bien déterminés, on ajoute, après contact avec ce laitier synthétique, une quantité prédéterminée de corps spéciaux agissant sur la grosseur de grain Mac Quaid, pré-
<Desc/Clms Page number 10>
déterminée pour les grosseurs de grain recherchées, d'alumi- nium par exemple.
Cette quantité de corps, dont la valeur sera choisie à l'avance pour l'obtention des grosseurs de grain voulues, peut être extrêmement petite et même, à la limite, être nulle dans le cas particulier où l'on recherche des grains relati- vement gros et pourvu que les additions de "désoxydants" aient été faites en quantités suffisantes, par exemple une addition de 0,300 environ de silicium, suivant des chif- fres prédéterminés et fixés à l'avance.
L'expérience prouve que, en opérant dans les oondi- tions décrites oi-dessus, on obtient le résultat très remar- quable suivant : , En faisant toujours dans les mêmes oonditions les mêmes additions désoxydantes; silioium et manganèse par exemple, ou sensiblement les mêmes - car on peut, sans que cela soit recommandé, so permettre à la rigueur une oer- taine variation sur la quantité de manganèse et même sur oelle de silioium - une même addition d'éléments ayant une action considérable sur la grosseur du grain Mac Quaid par exemple l'aluminium, donne de façon régulière, pratiquement toujours les mêmes grosseurs de grain Mac Quaid pour un acier d'une analyse donnée.
En d'autres termes, on peut dire que, grâce à l'inven- tion, on stabilise et on rend régulièrement constante, par
<Desc/Clms Page number 11>
des interventions préalables et bien définies de "désoxydants" et d'un laitier synthétique, l'aation d'éléments qui ont un effet prépondérant sur la grosseur de grain Mac Quaid, action qui n'était pas constante dans les anciens procédés.
Le mode opératoire qui semble à l'heure actuelle le plus reoommandable consiste à séparer l'acier de son laitier initial par tout moyen efficace connu, et à le verser violemment sur le laitier synthétique fondu rendu très fluide et placé dans une poche, la violence du verse- ment étant telle que le laitier soit divisé par l'impact du métal, et entraîné et dispersé à l'intérieur de la masse de métal elle-même mise en mouvement tourbillonnaire vio- lent par la violence du versement, conformément aux proaé- dés décrits dans les brevets n
EMI11.1
IJJf .3Jj. l! &U<- 'i i--:;:' . - Q /J1 gg''31t tk!b' $# ' 9 . -o= . x .9 jgiùt±li+J jij5, -I!J :$1) :
!J!J .L'adjonction des "désoxy- dants" est faite avant ou pendant le brassage ou partielle- avant et partiellement ment%après, suivant les indications fournies plus haut et l'on adopte de préférence comme mode d'addition des éléments agissant fortement sur la grosseur des grains, l'addition en lingotières.
L'opération de brassage intense de l'aoier et du lai- tier favorisant l'obtention d'un état voisin de l'équilibre
<Desc/Clms Page number 12>
entre le laitier et le métal, toute action subséquente du laitier sur l'acier est pratiquement supprimée,
L'expérience prouve que, dans un tel mode opératoire, on obtient aveo les mêmes additions ou sensiblement les mêmes additions désoxydantes, une régularité encore plus remarquable de la grosseur de grains Mac Quaid, pendant toute une coulée et d'une coulée à l'autre, d'un acier de même analyse, même pour les grosseurs de grain Mac Quaid
3 à 5, pour les aciers au carbone, grosseurs de grain dont l'extrême difficulté de production est bien connue.
On a ainsi, grâce à l'automatioité complète du pro- cédé, basé uniquement sur des équilibres chimiques réalisés en un temps extrêmement court, à l'abri de facteurs per- turbateurs, une remarquable solution du problème capital de la maîtrise de,la grosseur de grain Mac Quaid sous réserve, bien entendu,'des possibilités résultant de l'ana- lyse de l'acier et cela sans qu'il soit néoessaire de prendre, à aucun moment de l'ensemble du procédé, aucune éprouvette de l'acier en fusion, sinon pour le contrôle de la-température et des caractéristiques ohimiques oourantes. préalable
Un réglage/de toutes les conditions sera fait pour chaque analyse de l'aoier et pour chaque qualité d'acier désirée, selon l'importance des adjonctions d'alliages qui seraient faites.
Par exemple, en ce qui concerne les adjonctions d'élé-
<Desc/Clms Page number 13>
ments agissant énergiquement sur la grosseur du grain Mac Quaid, par exemple d'aluminium et s'agissant, en partant d'une coulée d'analyse déterminée, d'obtenir une grosseur de grain Mac Quaid de 3 à 5 avec une adjonction de 0,250 % de silicium et 0,300 % de manganèse, on déterminera la quantité d'aluminium à ajouter par le procédé suivant.
On fait, sur bain nu, quelques minutes avant le brassage, une addition de Si et de Mn de l'ordre des quan- tités exigées par la clientèle dans l'aoier visé en forçant légèrement par rapport à ces quantités; on aura par exemple ajouté 0,300 de Si et 0,600 de Mn. On brasse violemment avec le laitier synthétique et on coule avec les adjonctions successives suivantes d'Al.
1 0,002 %
2 0,005
3 0,008 %
N 0,050 %
On fait l'essai de la grosseur de grain et on trouve que les grosseurs de 3 à 5 sont obtenues par exemple par 0,010 @ d'Al. On opère alors conformément à la présente in- vention pour toute la suite de la fabrication de l'acier commandé ou à mettre en stock aveo les grosseurs de grain Mac Quaid considérées. Cette dimension de grain sera alors
<Desc/Clms Page number 14>
obtenue avec une grande régularité.
Il est donc possible de définir pour chèque qualité d'acier un mode opératoire standard qui permet l'obtention absolument régulière de la grosseur de grain Mac Quaid dési- rée à l'avanoe, ainsi que des caractéristiques mécaniques de l'acier.
Voici quelques exemples de réalisation du procédé faisant l'objet de l'invention, comportant l'addition de désoxydants faite dans un four sur acier oxydé et d'addi- tions ultérieures d'aluminium en lingotières - qui donnent, avec une marche standardisée dans un four, comportant le dé- crassage du laitier bas:
-que avant les additions de désoxy- dants, l'addition de ces aésoxydants, la coulée violente de l'acier ( 15 tonnes), sur deux tonnes environ d'un lai- tier fondu, fluide, à 55 % desilice, 0, 7 % environ de FeO, le reste étant composé d'alumine, magnésie, chaux, aoide titanique - les résultats 'le grosseur de grain Mac Quaid annoncés ci-dessous d'une .Façon absolument constante, en coulant, toujours dans les mêmes conditions, en lingots de 500 Kgs masselotts pour les aciers produits aveo ce four, Le nombre de combinaisons des nuances d'acier étant infini, il a été donné seulement quatre exemples:
1 Aoier au carbone- C = 0,35 % sans éléments d'alliages
Additions de désoxydants :
MA = 1 % Si = 0,250 %
<Desc/Clms Page number 15>
grain obtenu: avec 0,002 % d'Al - grain 3 à 5; avoc b,015 % d'Al - grain 5 à 6,
2 Acier nickel chrome doux C = 0,10 -Ni = 2.75 %
Cr = 0,8 %
Mn = 0,500 %
Si = 0,300 % grain obtenu: avec 0,004 % d'Al - grain 3 à 5 ; avec 0.025 % d'Al - grain 5 à 6,
EMI15.1
3 Acier a ahrome nol, bdène, - 05 or = 1 1!0 = 0, 3
Mn = 1,200 %
Si = 0,175 % grain obtenu: avec 0,006 % d'Al- grain 3 à 5; aveo 0,050 % d'Al - Grain 6 à 7.
4 Acier au nickel doux -C = 0.08 % -Ni = 2 %
Additions de désoxydants : Mn : 0,65 %
Si : 0,25 % grain obtenu : avec 0,002 % d'Al - grain 3 à 5; avec 0,050 % d'Al - grain 7 à 8.
Tous les éléments et la combinaison de ces éléments ayant une influence sur la quantité d'Al à ajouter pour l'obtention d'un grain déterminé - influence parfois diffé- rente selon qu'il s'agit des grains intermédiaires et des grains fins - il ne peut être donné que des exemples, le réglage précis devant se faire dans chaque cas particulier,
<Desc/Clms Page number 16>
mais ceci est extrêmement facile à réaliser par quelques essais de mise au point, une fois la méthode générale connue.
Voici, à titre d'exemple, les variations de aaraoté- ristiques mécaniques obtenues avec une même analyse d'acier.
Dans ce même four, pour un acier doux au niokel C = 0,08 % - Ni = 2 %, avec le même mode opératoire et les mêmes conditions de coulée que ci-dessus et des additions de désoxydants : Mn = 0,65 environ et Si = 0,25 , on obtient, avec une addition d'aluminium de 0,005 une charge de rup- ture de 65 Kgs.environ, un allongement de 12 environ et une résilience Mesnager de 25 environ; aveo une addition d'Al de 0,050 %, la charge de rupture tombe aux environs de 55 tandis que allongement et résilience Mesnager montent respectivement à 18 et 37 environ.
Avec des additions intermédiaires, les chiffres obtenus sont intermédiaires; on peut ainsi, par le mode opératoire précis, déterminer à l'avanoe les caractéristiques approxi- matives de dureté ou de ductilité que l'on veut obtenir et les obtenir très régulièrement, en faisant son choix, selon l'usage auquel l'acier est destiné.
De même, avec des aciers nickel-chrome de cémentation de même analyse, on peut ainsi à l'avanoe déterminer les oonditions pour obtenir, selon son désir et l'application visée, les charges de rupture après T.H. 850 entre 105 et 125 Kgs.
<Desc/Clms Page number 17>
On peut donc, par le présent procédé, avoir la maîtrise des caractéristiques mécaniques de l'acier que l'on fabrique et les reproduire à volonté dans de très bonnes conditions d'approximation, au lieu de faire ce que l'on fait d'habitude, o'est-à-dire de les constater une fois la ooulée faite et de déterminer d'après elles l'usage auquel on destine l'acier.
<Desc / Clms Page number 1>
PATENT OF I N V E N T I O N "Proceeds for the regular production of steels with determined characteristics"
It is known that steels having the same analysis in all the elements ordinarily measured, apart from the base metal, that is to say in particular carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur and the metals of addition, have often very different properties in use.
One can, in particular, meet such very significant differences in properties, on parts made of such steels and brought to the state of use, relative to the mechanical characteristics, to the physical properties, in particular to the ability to quench. and cementation,
<Desc / Clms Page number 2>
properties which have often been cited as quality factors for a given steel.
It is admitted today that such a set of properties is strongly influenced by the grain size of the steel and that in particular it is found in close relation with the results which one obtains by subjecting the steel, to the test instituted by Mac Quaid and which is defined, for example, by the conditions laid down by Standard E.19-33 of the American Society for Testing Materials.
The grain size observed from this test on a steel, and which is called in the technical literature of the United States, "Mac Quaid grain aize" will be called in the following: '! Mac Quaid grain size ",
It is known in particular, to give only one example, that a steel with 0.8% carbon, 0.250 manganese, 0.250 silicon having a Mac Quaid grain size of 3 to 5 present, when it is quenched at 780 C with water, a quenching penetration much greater than an identical analysis steel having a Mac Quaid grain size of 6 to 7 and therefore has, in use, all different properties.
The possibility of achieving with a given analysis steel, a Mao Quaid grain size chosen by avanoe, allows, on the one hand, to ensure, by systematically and regularly producing a Mac Quaid grain size steel
<Desc / Clms Page number 3>
predetermined, a regularity in the properties of use which is quite essential; on the other hand, gives the possibility, with the same steel analysis, to obtain at will, within certain practical limits, different characteristics of hardness, ductility or other, by varying the grain size Mac Quaid in this year.
Until now we had been working in the dark and despite the means implemented we were never sure of obtaining the desired properties; on different castings of a steel of the same analysis and even on the same casting, steels were obtained with very different Mac Quaid grain sizes and consequently dissimilar properties and one was forced to make, after solidifying cation of ingots, physical tests which were used to classify the steels obtained into different categories. Having in view a given Mac Quaid grain size, it even happened very frequently that this grain size was not reached for any of the ingots, which did not allow them to be used for the intended use.
Very often, even extremely mixed grain size steels were obtained, which was even more unfavorable.
Also, being able to produce systematically and regularly, for each casting of a steel fabrication, the Mac Quaid grain sizes that are desired or that are specifically requested by customers, and
<Desc / Clms Page number 4>
no others, is it industrially of capital importance.
No explanation, based on established and experimentally verified bases, has so far been proposed to explain the differences in Mac Quaid grain sizes observed in steels with the same analysis. Different hypotheses have been put forward, in particular the one based on the formation of visible inclusions, but they had to be abandoned in succession. The current tendency is to attribute a preponderant importance to the presence of extremely small refractory particles, escaping microscopic observation, and especially to the nature of these invisible particles and to their state of dispersion in the metal, but this n there is still only a hypothesis,
which also has the defect of bringing into play elements that escape any material investigation; no more than the other hypotheses, it could not lead to practical conclusions nor give the solution of the problem of obtaining regular Mac Quaid grain size, wanted in advance.
It is only known in practice, at the present time, that usual addition elements of steels can have, from this point of view, a very different influence on the Mac Quaid grain size; that some of them, such as for example aluminum and vanadium, have a preponderant action on the grain size Mac Quaid
<Desc / Clms Page number 5>
obtained, but the action of these elements does not appear to be the only cause and it is known that the same addition of the same element or of several elements always the same, made from one operation to another, led. under identical conditions, to steels with the same chemical analysis, frequently leads to very different Mac Quaid grain sizes.
Also the currently known metallurgical processes have not yet made it possible to systematically and regularly obtain Mac Quaid grain sizes chosen in advance.
This is particularly true in unalloyed carbon steels - called in the United States "plain oarbon steels" - and for the systematic production of intermediate and unmixed Mac Quaid grain sizes (for example sizes 3 to 5 of the cited Standard. above), the realization of which was and still is extremely difficult and of an extraordinarily low yield and remains, it can be said, delivered, to a very large extent, to chance.
The present invention provides the practical solution to the problem, in that it makes it possible to obtain regularly for each quality of steel, the Mac Quaid grain sizes compatible with the analysis of the steel, desired in advance, as well as the characteristics of resistance and ductility which one proposes, among those which can provide the steel.
These results are obtained, in accordance with the invention, by subjecting the steel to a set of means
<Desc / Clms Page number 6>
conjugates comprising: a) the added steel, whatever its degree of oxidation, of the same quantity, predetermined in each case, and greater than 0.050%, of one or more reducing substances commonly called " deoxidizers ", such as for example silioium, manganese, or silioium and manganese, soue form of these simple bodies or of simple or complex alloy in the solid or liquid state. Only one "deoxidizing" substance addition operation is done during the process, or several are done.
An addition operation involves adding to the steel either one and the same "deoxidizer" or several deoxidizers added separately or simultaneously. The deoxidizer (s) may or may not be different from one operation to another. The addition is made either prior to any other operation of the general process, or simultaneously with the operations defined in o) and d) below, or after any one of them, or after each of them. ;
in each case, it will include either a single addition, or several additions made at different stages, under the conditions of the nature of the deoxidizer and deoxidizers referred to above. b) the same duration, also predetermined, of the aotion of this or these deoxidizing agents on the steel, if. this is, at the time considered, under conditions such that the proportion of these deoxidizers in the steel can be
<Desc / Clms Page number 7>
not influenced in a / negligible way by an oxidation due to the environment.
If the addition of deoxidizers is carried out on a bare bath or under a strongly oxidized slag, it is recommended to wait, to carry out the following operation, only the time necessary for the deoxidants to have diffused in the bath. It is also in the interest of making this wait all the shorter as the carbon content of the aoier is lower. Under slightly oxidized slag or in the case of manganese, added as the only deoxidizer under the initial slag which floats at the start of the operation, the wait may be longer but, in each case, it should come as close as possible for a period fixed in advance for the particular case. c) the separation of the steel from the initial slag which surmounts it.
This elimination is carried out either by dehorasing the furnace containing the steel, or by retaining the slag in the furnace at the time of aoulée, or by pouring and slag in an intermediate ladle or container and then pouring the steel through the bottom of this pocket. d) contacting, by any operating mode whatsoever. steel, thus separated from its previous slag, and which, in the case of previous addition of "deoxidizing" substances must still contain relatively large quantities of these substances, with a molten synthetic slag., ba - sic, acidic or neutral, composed mainly of oxides to
<Desc / Clms Page number 8>
very high heat of formation such as, for example, lime, alumina, magnesia, silica, titanium acid.
If this slag is acidic, it can easily contain non-negligible amounts of manganese oxide. Either way, it must be low in iron oxide.
The contacting of the slag with the steel will be carried out as soon as possible after the preceding operations and in such a way that this slag quickly covers the steel, either when the steel is poured into the slag, under the oonditions ordinary practice of metal casting or with such violence that the slag is finely subdivided by the impact of the metal and is disseminated in the mass of the metal set in violent vortex motion by its kinetic energy either qu 'this synthetic slag is placed in an oven where the metal is introduced, or it is introduced into the same oven where the previous operation was carried out.
Strictly speaking, the elements of this milk can be added in the solid state, preferably preheated, provided that the proportion of these in the slag is such that a slag is quickly obtained. and easily fluid.
In any case, the synthetic slag will have to accompany the steel until the mold is cast. e) Addition to the aoier, after its coming into contact with the molten synthetic slag, of a quantity, fixed in advance, of a body whose aotion on the grain size n
<Desc / Clms Page number 9>
Mac Quaid is especially energetic, such as vanadium, titanium and especially aluminum. This addition is made by adding these bodies, either in the pure state, or in the state of alloys containing one or more of these elements in known quantity, and possibly other elements such as for example manganese, silicon, iron, in a quantity fixed in advance.
The addition of the bodies in question must be made at a time as close as possible to the solidification of the steel in the ingot mold; it can be done in the oven if an oven is used, or in the ladle, but even better in molds. The aoier resting under the synthetic slag is poured in the usual way.
It is recommended to cast under conditions which are always as similar to themselves as possible for ingots determined in weight and relative dimensions.
For each grade of steel, once an operating mode, in a determined, chosen and well-defined oven, the nature and quantity of the deoxidizing additions, the waiting time for the action of these deoxidants, if There is an expectation, the mode of elimination of the previous slag, the nature and the quantity of synthetic slag used being themselves well determined, one adds, after contact with this synthetic slag, a predetermined quantity of special substances acting on Mac Quaid grain size, pre-
<Desc / Clms Page number 10>
determined for the desired grain sizes, aluminum for example.
This quantity of body, the value of which will be chosen in advance in order to obtain the desired grain sizes, can be extremely small and even, at the limit, be zero in the particular case where one seeks relative grains. very large and provided that the additions of "deoxidizers" have been made in sufficient quantities, for example an addition of about 0.300 of silicon, according to predetermined and fixed figures.
Experience proves that, by operating under the conditions described above, the following very remarkable result is obtained: - By always making the same deoxidizing additions under the same conditions; silioium and manganese for example, or more or less the same - because it is possible, without this being recommended, so to allow a certain variation in the quantity of manganese and even in silioium - the same addition of elements having a considerable action on the Mac Quaid grain size, for example aluminum, gives in a regular way, practically always the same Mac Quaid grain sizes for a steel of a given analysis.
In other words, one can say that, thanks to the invention, one stabilizes and one makes regularly constant, by
<Desc / Clms Page number 11>
prior and well-defined interventions of "deoxidizers" and a synthetic slag, the aation of elements which have a preponderant effect on the Mac Quaid grain size, an action which was not constant in the old processes.
The operating mode which at the present time seems the most recommendable consists in separating the steel from its initial slag by any known effective means, and in pouring it violently on the molten synthetic slag made very fluid and placed in a pocket, the violence of the pouring being such that the slag is divided by the impact of the metal, and entrained and dispersed within the mass of metal itself set in whirling motion violate by the violence of the pouring, in accordance with the proaé - dice described in patents n
EMI11.1
IJJf .3Jj. there! & U <- 'i i -:;:'. - Q / J1 gg''31t tk! B '$ #' 9. -o =. x .9 jgiùt ± li + J jij5, -I! J: $ 1):
! J! J. The addition of the "deoxidants" is made before or during the stirring or partially before and partially% after, according to the indications given above and is preferably adopted as the method of addition of the elements acting strongly on the grain size, addition in ingot molds.
The operation of intense mixing of the aoier and the milk favoring the obtaining of a state close to equilibrium
<Desc / Clms Page number 12>
between the slag and the metal, any subsequent action of the slag on the steel is practically eliminated,
Experience shows that, in such a procedure, one obtains with the same additions or substantially the same deoxidizing additions, an even more remarkable regularity of the Mac Quaid grain size, during a whole casting and from one pour to the other. other, of a steel of the same analysis, even for Mac Quaid grain sizes
3 to 5, for carbon steels, grain sizes of which the extreme difficulty of production is well known.
Thanks to the complete automatio- nity of the process, based solely on chemical equilibria achieved in an extremely short time, sheltered from disturbing factors, we thus have a remarkable solution to the capital problem of controlling the process. Mac Quaid grain size subject, of course, to the possibilities resulting from the analysis of the steel and that without it being necessary to take, at any time during the whole process, any test piece of the molten steel, otherwise for the control of temperature and current ohimic characteristics. prior
An adjustment of all the conditions will be made for each analysis of the steel and for each quality of steel desired, depending on the extent of the alloy additions that would be made.
For example, with regard to the additions of ele-
<Desc / Clms Page number 13>
elements acting vigorously on the Mac Quaid grain size, for example aluminum and, starting from a determined analysis casting, obtaining a Mac Quaid grain size of 3 to 5 with an addition of 0.250 % silicon and 0.300% manganese, the amount of aluminum to be added will be determined by the following process.
An addition of Si and Mn in the order of the quantities required by the customers in the target ale is made, in a naked bath, a few minutes before stirring, slightly forcing in relation to these quantities; for example, 0.300 of Si and 0.600 of Mn will have been added. It is stirred violently with the synthetic slag and it is poured with the following successive additions of Al.
1 0.002%
2 0.005
3 0.008%
N 0.050%
The grain size is tested and it is found that sizes 3 to 5 are obtained, for example, by 0.010% Al. The operation is then carried out in accordance with the present invention for the rest of the manufacture of the steel ordered or to be placed in storage with the Mac Quaid grain sizes considered. This grain size will then be
<Desc / Clms Page number 14>
obtained with great regularity.
It is therefore possible to define for steel quality check a standard operating mode which allows absolutely regular obtaining of the Mac Quaid grain size desired at the feed, as well as the mechanical characteristics of the steel.
Here are some embodiments of the process forming the subject of the invention, comprising the addition of deoxidizers made in a furnace on oxidized steel and subsequent additions of aluminum in ingot molds - which give, with a standardized procedure in an oven, comprising the descaling of the bottom slag:
-that before the additions of deoxidants, the addition of these aeoxidants, the violent pouring of the steel (15 tons), on approximately two tons of a molten slag, fluid, at 55% silica, 0, About 7% FeO, the remainder being alumina, magnesia, lime, titanium acid - the Mac Quaid grain size results reported below in an absolutely constant manner, flowing, always under the same conditions , in ingots of 500 kg weight for steels produced with this furnace, The number of combinations of steel grades being infinite, only four examples have been given:
1 Carbon Aoier- C = 0.35% without alloying elements
Additions of deoxidizers:
MA = 1% Si = 0.250%
<Desc / Clms Page number 15>
grain obtained: with 0.002% Al - grain 3 to 5; avoc b, 015% Al - grain 5 to 6,
2 Mild chrome nickel steel C = 0.10 -Ni = 2.75%
Cr = 0.8%
Mn = 0.500%
Si = 0.300% grain obtained: with 0.004% Al - grain 3 to 5; with 0.025% Al - grain 5 to 6,
EMI15.1
3 Ahromic steel nol, bdene, - 05 or = 1 1! 0 = 0, 3
Mn = 1,200%
Si = 0.175% grain obtained: with 0.006% Al-grain 3 to 5; with 0.050% Al - Grain 6 to 7.
4 Mild nickel steel -C = 0.08% -Ni = 2%
Additions of deoxidizers: Mn: 0.65%
Si: 0.25% grain obtained: with 0.002% Al - grain 3 to 5; with 0.050% Al - grain 7 to 8.
All the elements and the combination of these elements having an influence on the amount of Al to add to obtain a given grain - sometimes different influence depending on whether it is intermediate grains and fine grains - only examples can be given, the precise adjustment having to be made in each particular case,
<Desc / Clms Page number 16>
but this is extremely easy to achieve by a few tuning tests, once the general method is known.
Here is, by way of example, the variations of mechanical aaraotéristics obtained with the same steel analysis.
In this same furnace, for a mild steel with niokel C = 0.08% - Ni = 2%, with the same operating mode and the same casting conditions as above and additions of deoxidants: Mn = 0.65 approximately and Si = 0.25, with an addition of aluminum of 0.005 a breaking load of about 65 kg is obtained, an elongation of about 12 and a Mesnager impact strength of about 25; With an Al addition of 0.050%, the breaking load drops to around 55 while Mesnager elongation and toughness rise to around 18 and 37, respectively.
With intermediate additions, the figures obtained are intermediate; one can thus, by the precise operating mode, determine in advance the approximate characteristics of hardness or ductility which one wishes to obtain and obtain them very regularly, by making one's choice, according to the use for which the steel is destined.
Likewise, with nickel-chromium carburizing steels of the same analysis, it is thus possible in advance to determine the conditions to obtain, according to one's desire and the intended application, the breaking loads after T.H. 850 between 105 and 125 Kgs.
<Desc / Clms Page number 17>
It is therefore possible, by the present process, to have control of the mechanical characteristics of the steel which is manufactured and to reproduce them at will under very good approximation conditions, instead of doing what one does with habit, that is to say to note them once the flow is made and to determine from them the use for which the steel is intended.