<Desc/Clms Page number 1>
AMELIORATIONS DANS LES METHODES DE PRODUCTION D'ACIER DOUX EN GRANULES POUR REMPLACER PRINCIPALEMENT LES MITRAILLES DE FONTE ORDINAIRE A BASSE TENEUR DE CARBONE DANS LA FABRICATION D'ACIER AU FOUR MARTIN OU ELECTRIQUE
L'invention a pour but :
1) De prévoir une méthode peu coûteuse et rationnelle de décarburation du fer ou autres métaux ou alliages contenant plus ou moins de carbone. 2) Une méthode de déoarburation suivant le diagramme d'équilibre de Fe-C-0 pendant la chauffe du fer à certaines températures, dans une atmosphère de composition donnée. 3) Une méthode de déoarburation du fer et autres métaux à une température en dessous du point de fusion et cela pratiquement sans oxydation du métal. 4) Une méthode adaptée à la production de granules de fer contenant 0,05 % et moins de carbone. 5) Une méthode de déoarburation de fonte en chauffant des granules dans une atmosphère spéciale en n'apportant aucune autre chaleur que celle produite par une combustion appropriée du carbone dans le fer à décarburer.
6) Un procédé pratiquement continu et plus ou moins automatique de décarbura- tion de fonte et autres métaux contenant du carbone.
Les buts de l'invention et les moyens d'obtenir les résultats désirés sont décrits ci-après !
La méthode utilisée pour décarburer la fonte, par exemple, sans fusion afin de produire des objets en fonte malléable, consiste à placer les pièces de fonte dans des boites ou chambres avec certaines matières oxydantes, telles que des hématites, et de chauffer le tout pendant une semaine environ en élevant graduellement la température à 900 ou 1000 . Cette vieille méthode n'est cependant pas applicable quand il s'agit de déoarburer rapidement fonte ou autres métaux finement divisés, parce que le temps de recuit est : absolument trop long à cause de la faible conductibilité de la charge, et de plus, le procédé est discontinu, trop coûteux, encombrant et peu pratique.
Enfin il est Impossible de décarburer suffisamment pour beaucoup d'opérations Importantes demandant un minimum de carbone dans le produit
<Desc/Clms Page number 2>
désiré.
Pour rendre le procédé économique et constituer un progrès dans la méthode ordinaire de fabrication de l'aoier, il est nécessaire que la chaleur @ requise soit appliquée sans permettre des Inégalités de température dans la charge et que de plus la main d'oeuvre soit diminuée et le procédé assez continu pour réduire appréclablement le prix de revient de l'opération.
Pour remplir ces conditions il a été trouvé nécessaire de tenir la charge de granules constamment en mouvement par un procédé quelconque pendant le chauffage. L'élimination rapide du carbone demande, d'après essais pratiques, que la température soit maintenue aussi haute que possible, par exemple entre 900 et 1200'. Maisil est difficile à cette température d'empê- cher que le mélange des granules aveo des oxydants tels que du minerai de fer concentré ne se scorifie en grosses masses et n'adhère aux parois du four ou des boites, rendant ainsi Impossible la continuité de l'alimentation de la charge.
D'après la présente invention, le fer ou autres métaux contenant du carbone ne sont pas décarburés par des matières solides oxydantes mélangées à la charge, mais par de l'oxygène libre ou combiné introduit dans le four de décarburation. Cela dispense de la nécessité de mélanger les granules avec d'autres substances plus aisément scorifiables et la température peut être maintenue plus élevée sans troubles sérieux.
Un autre avantage réside dans le fait que les granules de fer par exemple, ne contiennent aucune matière oxydante et sont exempts d'autres impuretés introduites avec le minerai de fer, si celui-ci a été utilisé comme déoarburant. Un produit métallique parfaitement pur peut donc être obtenu par cette invention, Mais les gaz oxydants doivent être admis de telle façon que le carbone soit éliminé sans oxydation simultanée du fer. Si la surface des granules est sérieusement oxydée, ils s'aggloméreront en formant des masses scorifiées. Un produit beaucoup plus pauvre sera ainsi obtenu.
L'oxygène libre ne doit donc pas être en contact direct avec les granules mais doit être d'abord transformé en dioxyde de carbone. La réaction suivant laquelle la décarburation des granules doit avoir lieu est donnée par l'équation 0 C02 @ 2 00. Mais en réalité l'acide carbonique même agit sérieusement comme oxydant sur le fer à moins que le gaz ne contienne en môme temps une quantité considérable de monoxyde. Afin qu'un gaz formé de monoxyde et de dioxyde de carbone déoarbure de la fonte ordinaire par
<Desc/Clms Page number 3>
exemple, il faut que la proportion de dioxyde soit moindre que 25% à 1000 .
Si le gaz dans le four est mélangé à d'autres gaz tels que l'azote, l'hydro- gène ou la vapeur d'eau, la proportion doit être encore moindre. Coma la déoarburation est endothermique il faut apporter de la chaleur à la charge.
Mais il a été trouvé possible de rendre le procédé exothermique en apportant de l'oxygène libre, par exemple en admettant de l'air dans le tour. Mais cet oxygène doit être introduit de telle façon qu'il soit mélangé au monoxyde produit par le carbone dans le fer et qu'il soit ainsi complètement changé en 002 avant qu'il ait opportunité d'attaquer le fer. La réaction résultante sera ainsi pratiquement 0 + 02 @ 002.
La production de chaleur, dans ce cas, est suffisante pour l'utilisation technique du procédé si les pertes de calories peuvent être assez réduites par un calorifugeage soigné et autres précautions.
Si, au contraire, l'oxydation s'opère par du minerai de fer qui doit être réduit en même temps, le procédé sera toujours endothermique, demandant un apport extérieur relativement grand de calories, ce qui est une des raisons pour lesquelles la décarburation ainsi conçue est plutôt difficile.
Normalement le gaz de réaotion doit être brûlé complètement en 002 avant de quitter le four dans lequel le fer est décarburé.
Si toutefois la chaleur produite est insuffisante pour chauffer et déoar- burer le fer, on peut l'augmenter par apport de combustibles appropriés tels que du charbon pulvérisé, de l'huile ou un gaz. Le gaz de haut-fourneau peut être utilisé avantageusement. Il est aussi possible de prévoir de la chaleur électrique comme complément. Dans ce cas, elle doit être apportée d'abord dans la zone des réaotions finales où il est très difficile de maintenir la température requise par oombustion du gaz de réaotion sans trop oxyder l'atmosphère du four.
Un apport supplémentaire de calories est requis, spécialement quand il s'agit de décarburer, par exemple, de la mitraille ordinaire contenant 0,25 % de carbone, pour atteindre des teneurs encore plus basses, ce qui laisse trop peu de carbone pour produire la chaleur nécessaire même dans les conditions les plus favorables.
Pour accélérer la réaction, il peut être indiqué d'apporter de l'hydrogène au four, soit libre ou sous forme de vapeur.
On peut employer divers types de four pour ce procédé. Par exemple un four du type à griller les pyrites, dans lequel la charge voyage en sens
<Desc/Clms Page number 4>
opposé à l'arrivée des gaz chauds composés de CO & c02.
Mais cool peut être résolu de simple façon dans un four horizontal ou légère- ment incline du type rotatif comme employé dans la cuisson du ciment, mais modifié en conséquence. On a trouvé qu'il est possible de décarburer le fer à des températures au-dessus de 1000. dans pareil four, sans tendance pour les granules de s'agglomérer, même à 1200* environ. Ceci à condition que les granules soient lisses, ronds et pas oxydés,
Une alimentation continue de la charge dans un four rotatif est facile- ment réalisée et la rotation produit un brassage efficace et désirable des granules, assurant une uniformité raisonnable de température, sans surchauffe même si la charge n'est chauffée que par les gaz de réaotion au-dessus d'elle.
Le dessin annexé montre Fig.l une section longitudinale d'un four tubu- laire rotatif, dans lequel la chaleur est produite par les gaz de réaction et éventuellement par un autre combustible tel que du gaz de haut-fourneau admis de l'extérieur. La Fig.ll donne une section transversale suivant A-A de la Fig.l, et la Fig.lll une section transversale suivant B-B de la Fig.l.
La charge est Introduite par l'ouverture 1 et voyage le long du four qui tourne assez vite pour assurer un mélange efficace de la charge dont la sur- face oblique est exposée à l'action immédiate de l'atmosphère chaude et décarburante tel qu'indiqué Fig.ll.
Avant que les granules ne sortent du coté opposé du four rotatif, ils devront passer par un réservoir spécial 2 d'un type bien connu et conçu pour laisser passer les granules, mais non les gaz, sur le bec de l'ouverture centrale de sortie, à la même vitesse qu'ils entrent dans le four. Par un refroidissement du regard 2 la température des granules peut être abaissée suffisamment pour empêcher toute oxydation de la surface de ceux-ci, si désiré.
L'air requis par le procédé est introduit par un tuyau 3 et les gaz du four voyageant en direction opposée quittent le four par l'ouverture 1.
Il a été trouvé assez difficile de transmettre efficacement la chaleur des gaz, dans le four, sans l'allonger sensiblement. Afin d'améliorer la transmission de chaleur à la charge, on peut prévoir avantageusement une série de chicanes 4 distribuées en travers du four, de préférence du coté de l'entrée Les chicanes peuvent avoir des ouvertures 5, permettant aux gaz de passer le long du four en changeant de direction pendant leur trajet. Cet arrangement provoquera une transmission notable de calories dans les chicanes qui, par
<Desc/Clms Page number 5>
la rotation du four, céderont la chaleur emmagasinée à la charge.
Le brassage de la charge par la rotation favorise la distribution uniforme de la tempé- rature, mais il peut aussi créer un mélange en longueur car les granules déjà décarburés peuvent faire marche arrière vers l'entrée pendant que d'autres granules peuvent quitter le four avant d'être suffisamment décarburés.
La capacité du four et son rendement peuvent être ainsi un peu diminués.
Pour amoindrir la difficulté, il peut être utile de prévoir une série de chicanes 6, aussi dans la zone de réaction. Ces chicanes sont pourvues d' ouvertures destinées à contrôler le mouvement de la charge pour empêcher le mélange dans le sens longitudinal, comme expliqué plus haut.
L'air de combustion est introduit par les ouvertures 7 sur le tuyau 3 et celles-ci sont arrangées en nombre et position pour prévenir un trop grand afflux d'oxygène qui pourrait oxyder les granules en certains endroits.
Si un combustible additionnel, gazeux ou autre, est requis, il peut être introduit par exemple, par le tuyau 8 à la sortie du four ou par un tube parallèle ou intérieur au tuyau 3.
La dimension des granules est d'importance considérable pour le rende- ment du procédé. La rapidité de décarburation grandit très vite quand le volume des granules diminue. On a trouvé qu'un grain de dimension appropriée s'obtient par un refroidissement rapide, au moyen d'eau par exemple à la sortie du haut-fourneau ou four électrique de réduction dans lequel la fonte a été fondue. Il est désirable que les granules puissent passer un tamis à mailles de 5 millimètres.
Bien que la décarburation du fer, dans ce procédé, soit réalisée prin- cipalement par du gaz oxygène, il n'est pas exclu qu'une oxydation simultanée soit opérée par de l'oxygène solide sous forme d'oxyde de fer par exemple.
Il peut même être avantageux d'ajouter une certaine quantité de minerai de fer concentré aux granules à décarburer, bien que la quantité doive être minime pour que l'oxyde soit réduit rapidement et n'entrave pas le procédé principal qui est caractérisé par le fait que l'oxygène est admis à l'état gazeux, par exemple avec l'air.
Le procédé n'est pas limité à la décarburation de la fonte, il peut être utilisé avantageusement à la décarburation de toute autre espèce de fer à basse teneur de carbone et finement divisé tel que les granules d'acier, copeaux, fer spongieux et similaire. Il est cependant important et avantageux que la décarburation suivant cette méthode soit effectuée, non seulement très
<Desc/Clms Page number 6>
rapidement mais aussi jusqu'à la teneur la plus basse de carbone qui est beaucoup inférieure à celle obtenue à ce jour par les procédés industriels connus.
Il a été constaté qu'en chauffant les granules à 1200 dans une atmos- phère de CO et C02 en proportion telle que le carbone seul soit oxydé et non le fer, une décarburation en dessous de 0,01 % est possible. Si le mélange gazeux est dilué avec de l'hydrogène ou de l'azote, ou tous deux, ou bien si un vide est maintenu dans le four, une teneur encore plus réduite de carbone est possible théoriquement. Une augmentation de température à 1200* facilite la décarburation, mais une température supérieure ne semble pas spécialement désirable.
<Desc / Clms Page number 1>
IMPROVEMENTS IN METHODS OF PRODUCING SOFT STEEL IN PELLETS TO REPLACE MAINLY LOW-CARBON ORDINARY CAST IRON MACHINERY IN STEEL MANUFACTURING IN MARTIN OR ELECTRIC OVEN
The invention aims:
1) To provide an inexpensive and rational method of decarburizing iron or other metals or alloys containing more or less carbon. 2) A method of deoarburization according to the Fe-C-0 equilibrium diagram during the heating of iron at certain temperatures, in an atmosphere of given composition. 3) A method of deoarburization of iron and other metals at a temperature below the melting point and this practically without oxidation of the metal. 4) A method suitable for the production of iron granules containing 0.05% and less carbon. 5) A method of deoarburizing cast iron by heating granules in a special atmosphere by providing no heat other than that produced by an appropriate combustion of carbon in the decarburizing iron.
6) A practically continuous and more or less automatic process for the decarburization of cast iron and other metals containing carbon.
The objects of the invention and the means of obtaining the desired results are described below!
The method used to decarburize cast iron, for example, without melting to produce malleable cast iron objects, is to place the cast iron parts in boxes or chambers with certain oxidizing materials, such as hematites, and heat the whole thing for a while. a week or so, gradually raising the temperature to 900 or 1000. This old method is however not applicable when it comes to deoarburizing quickly cast iron or other finely divided metals, because the annealing time is: absolutely too long due to the low conductivity of the charge, and moreover, the process is batch, too expensive, bulky and impractical.
Finally it is impossible to decarburize sufficiently for many important operations requiring a minimum of carbon in the product
<Desc / Clms Page number 2>
longed for.
In order to make the process economical and to constitute an advance in the ordinary method of making aoier, it is necessary that the required heat be applied without allowing temperature inequalities in the charge and that, moreover, the labor be reduced. and the process continuous enough to significantly reduce the cost of the operation.
To meet these conditions it has been found necessary to keep the load of granules constantly in motion by some method during heating. The rapid removal of carbon requires, according to practical tests, that the temperature be kept as high as possible, for example between 900 and 1200 °. But it is difficult at this temperature to prevent the mixing of the granules with oxidants such as concentrated iron ore from slagging in large masses and from adhering to the walls of the furnace or the boxes, thus making the continuity of the oven impossible. power supply to the load.
According to the present invention, iron or other carbon-containing metals are not decarburized by oxidizing solids mixed with the feed, but by free or combined oxygen introduced into the decarburization furnace. This eliminates the need to mix the granules with other more easily scorifiable substances and the temperature can be kept higher without serious disturbance.
Another advantage is that the iron granules, for example, do not contain any oxidizing material and are free from other impurities introduced with the iron ore, if this has been used as a deofuel. A perfectly pure metal product can therefore be obtained by this invention, but the oxidizing gases must be admitted so that the carbon is removed without simultaneous oxidation of the iron. If the surface of the granules is seriously oxidized, they will agglomerate forming slag masses. A much poorer product will thus be obtained.
The free oxygen must therefore not be in direct contact with the granules but must first be converted into carbon dioxide. The reaction according to which the decarburization of the granules is to take place is given by the equation 0 C02 @ 2 00. But in reality carbonic acid itself acts seriously as an oxidant on iron unless the gas contains at the same time a quantity considerable amount of monoxide. So that a gas formed by carbon monoxide and carbon dioxide deoarburizes ordinary cast iron by
<Desc / Clms Page number 3>
example, the proportion of dioxide should be less than 25% at 1000.
If the gas in the furnace is mixed with other gases such as nitrogen, hydrogen or water vapor, the proportion should be even less. As deoarburization is endothermic, heat must be brought to the load.
But it has been found possible to make the process exothermic by supplying free oxygen, for example by admitting air into the tower. But this oxygen must be introduced in such a way that it is mixed with the monoxide produced by the carbon in the iron and thus is completely changed into 002 before it has a chance to attack the iron. The resulting reaction will thus be practically 0 + 02 @ 002.
The heat production, in this case, is sufficient for the technical use of the process if the heat losses can be sufficiently reduced by careful thermal insulation and other precautions.
If, on the contrary, the oxidation takes place by iron ore which must be reduced at the same time, the process will always be endothermic, requiring a relatively large external input of calories, which is one of the reasons why decarburization thus conceived is rather difficult.
Normally the reaction gas should be burnt completely in 002 before leaving the furnace in which the iron is decarburized.
If, however, the heat produced is insufficient to heat and de-carbonate the iron, it can be increased by the addition of suitable fuels such as pulverized coal, oil or gas. Blast furnace gas can be used advantageously. It is also possible to provide electric heat as a complement. In this case, it must first be supplied to the final reaction zone where it is very difficult to maintain the temperature required by combustion of the reaction gas without too much oxidizing the atmosphere of the furnace.
An additional supply of calories is required, especially when it comes to decarburizing, for example, ordinary scrap metal containing 0.25% carbon, to reach even lower contents, leaving too little carbon to produce the heat required even under the most favorable conditions.
To accelerate the reaction, it may be advisable to supply hydrogen to the oven, either free or in the form of vapor.
Various types of furnace can be employed for this process. For example, an oven of the type for grilling pyrites, in which the load travels in the direction
<Desc / Clms Page number 4>
opposed to the arrival of hot gases composed of CO & c02.
But cool can be solved simply in a horizontal or slightly inclined rotary type kiln as employed in cement firing, but modified accordingly. It has been found that it is possible to decarburize iron at temperatures above 1000 in such an oven, with no tendency for the granules to agglomerate, even at about 1200 *. This provided that the granules are smooth, round and not oxidized,
Continuous feeding of the charge into a rotary kiln is easily achieved and the rotation produces efficient and desirable agitation of the granules, ensuring reasonable temperature uniformity, without overheating even though the charge is only heated by the reactants. above her.
The accompanying drawing shows Fig. 1 a longitudinal section of a rotary tube furnace, in which the heat is produced by the reaction gases and optionally by another fuel such as blast furnace gas admitted from the outside. Fig.ll gives a cross section along A-A of Fig.l, and Fig.lll a cross section along B-B of Fig.l.
The charge is introduced through opening 1 and travels along the furnace which rotates fast enough to ensure efficient mixing of the charge, the oblique surface of which is exposed to the immediate action of the hot decarburizing atmosphere such as indicated in Fig.ll.
Before the granules leave the opposite side of the rotary kiln, they will have to pass through a special tank 2 of a well-known type designed to allow the granules, but not the gases, to pass over the spout of the central outlet opening. , at the same speed as they enter the oven. By cooling the sight glass 2 the temperature of the granules can be lowered sufficiently to prevent any oxidation of the surface thereof, if desired.
The air required by the process is introduced through a pipe 3 and the oven gases traveling in the opposite direction leave the oven through opening 1.
It has been found quite difficult to efficiently transmit the heat of the gases into the furnace without significantly extending it. In order to improve the heat transmission to the load, one can advantageously provide a series of baffles 4 distributed across the furnace, preferably on the side of the inlet. The baffles can have openings 5, allowing the gases to pass along oven by changing direction during their journey. This arrangement will cause a noticeable transmission of calories in the baffles which, for
<Desc / Clms Page number 5>
rotation of the oven, will release the stored heat to the load.
Stirring the load by rotating promotes uniform temperature distribution, but it can also create length mixing because already decarburized pellets can backtrack to the inlet while other pellets can leave the oven. before being sufficiently decarburized.
The capacity of the furnace and its output can thus be reduced a little.
To lessen the difficulty, it may be useful to provide a series of baffles 6, also in the reaction zone. These baffles are provided with openings for controlling the movement of the load to prevent mixing in the longitudinal direction, as explained above.
The combustion air is introduced through the openings 7 on the pipe 3 and these are arranged in number and position to prevent too great an influx of oxygen which could oxidize the granules in certain places.
If an additional fuel, gaseous or otherwise, is required, it can be introduced, for example, by pipe 8 at the outlet of the furnace or by a tube parallel or internal to pipe 3.
The size of the granules is of considerable importance to the efficiency of the process. The speed of decarburization increases very quickly when the volume of the granules decreases. It has been found that a grain of suitable size is obtained by rapid cooling, for example by means of water at the outlet of the blast furnace or electric reduction furnace in which the cast iron has been melted. It is desirable that the granules can pass a 5 millimeter mesh screen.
Although the decarburization of iron, in this process, is carried out mainly by oxygen gas, it is not excluded that simultaneous oxidation is carried out by solid oxygen in the form of iron oxide for example.
It may even be advantageous to add a certain amount of concentrated iron ore to the granules to be decarburized, although the amount should be minimal so that the oxide is reduced quickly and does not hamper the main process which is characterized by the fact that oxygen is admitted in the gaseous state, for example with air.
The process is not limited to the decarburization of cast iron, it can be used advantageously in the decarburization of any other species of low carbon and finely divided iron such as steel granules, shavings, spongy iron and the like. . It is however important and advantageous that the decarburization according to this method is carried out, not only very
<Desc / Clms Page number 6>
quickly but also up to the lowest carbon content which is much lower than that obtained to date by known industrial processes.
It has been found that by heating the granules to 1200 in an atmosphere of CO and CO 2 in a proportion such that carbon alone is oxidized and not iron, decarburization below 0.01% is possible. If the gas mixture is diluted with hydrogen or nitrogen, or both, or if a vacuum is maintained in the furnace, an even lower carbon content is theoretically possible. An increase in temperature to 1200 * facilitates decarburization, but a higher temperature does not seem especially desirable.