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" Procédé pour traiter des métaux à l'état fondu à l'aide 'de matières sols.des "
Il est dé pratique courante en métallurgie de trai- ter des bains de métaux fondus l'aide de matières solides.
C'est ainsi qu'il est connu, par exemple, de traiter l'acier fondu par le carbone en vue de la désoxydation-et éventuel- lement de la recarburation. On a même suggéré de brasser de l'acier avec du carbone par basculement du convertisseur et très courts soufflages ou par transvasements sans indiquer d'ailleurs les conditions d'une telle opération.
Il est également connu de traiter le cuivre par des matières renfermant du carbone, .en vue d'obtenir une désoxy- '
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dation poussée, mais les réactions sont généralement lentes et doivent être effectuées dans des fours.
On a proposé, en particulier pour le cuivre, pour améliorer le contact entre les matières réagissantes, de noyer le carbone au sein du cuivre en remplissant complète- ment de morceaux de coke le four électrique où l'on opère mais, malgré ces précautions et malgré l'amélioration qui en résul- te, il est indispensable pratiquement de faire des apports de chaleur extérieure et-, en outre, il est nécessaire de mettre en oeuvre des quantités de cokeconsidérables, ce qui provoque une consommation d'énergie électrique encore accrue.
Enfin, qu'il s'agisse de traiter par des matières solides du fer, du cuivre ou d'autres métaux, les méthodes mises en oeuvre par la pratique actuelle, non plus que celles suggérées jusqu'ici, ne peuvent conduire, sans autre, à l'é- quilibre avec les corps réagissants, ce qui entraîne la néces- sité d'employer ces corps en grand excès et, en outre, con- duit à des résultats très irréguliers d'une opération à l'au- tre.
La présente invention a pour but d'éviter les incon- vénients qui viennent d'être rappelés et, notamment, de pro- voquer des réactions rapides et régulières entre un métal à l'état fondu et un corps solide de densité plus faible que ce métal et cela sans apport obligatoire de chaleur extérieure.
Le procédé est particulièrement indiqué dans le cas de corps solides ne fondant qu'à haute température ou se dissolvant difficilement dans le métal ou même ne s'y dissol- vant pas.
Pour réaliser de telles réactions conduisant rapide- ment à l'obtention pratique de l'équilibre entre les éléments
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réagissants, la demanderesse a eu l'idée, conformément à la présente invention, de soumettre simultanément l'ensemble de ces éléments à des intermélanges énergiques successifs répétés à courts intervalles de temps en utilisant, A cet effet, un appareil formé de deux capacités, par exemple, opposées bouche à bouche et seprolongeant en quelque sorte l'une l'au- tre et'disposées de manière que leur contenu puisse être dé- versé de l'une dans l'autre et réciproquement, ces capacités étant animées, à cet effet, de mouvements d'oscillation ou de rotation.
Le métal liquide et le corps solide que l'on désire faire réa'gir sont introduits dans l'appareil et celui- ci est soumis à une série d'oscillations ou de rotations suc- cessives. Le rapport entrele volume de chaque capacité et la charge de métal et de corps réagissant solide qui y est introduit pour traitement, est choisi tel que la hauteur de chute de ladite charge d'une des capacités dans l'autre soit suffisante pour que le corps solide soit entraîné dans le métal et fortement mélangé avec lui et qu'il se produise de forts remous.
Par ce procédé, la rapidité des réactions est telle que, même que dans le cas de réactions endothermiques, aucun apport de chaleur n'est nécessaire.
Il importe toutefois de bien préciser comment doi- vent être effectués ces intermélanges successifs pour la réussite de l'opération. Si l'on suppose que l'une des poches de l'appareil contient du métal liquide sur lequel on a jeté par exemple des morceaux dé charbon de bois et que l'on verse lentement le métal de cette poche dans 1''autre poche de l'appareil, le charbon de bois ayant une densité beaucoup plus faible que le métal, reste à la surface du bain et il ne produit qu'une réaction très lente et irrégulière.
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Si, au contraire, le métal est versé avec force, la totalité ou une grande partie du charbon est entraînée au sein du métal et mélangée énergiquement avec lui et l'expérience montre qu'alors, la rapidité de la réaction aug- mente dans des proportions très importantes ainsi que la régularité des résultats obtenus.
C'est ce phénomène d'entraînement et de mélange énergique du corps solide au sein du métal qu'il y a lieu de rechercher ; cet entraînement est du reste aussi facilité par les remous qui se produisent lors du choc du métal fondu contre les parois.
Il importe, en tout cas, que le versement du métal sur le corps réagissant, ou du métal avec le corps réagis- sant, soit suffisamment énergique pour qu'il y ait pénétra- tion des morceaux de l'élément réagissant au sein du métal et production de forts remous, condition d'autant plus diffi- cile à réaliser que les différences de densité entre le corps réagissant et le métal sont plus élevées. Ce résultat peut être obtenu de la façon la plus simple, par exemple dans le type d'appareil décrit ci-dessous. A chaque oscillation, il se produit un fort mélange avec interpénétration des éléments en présence ; bout d'un certain nombre de versements éner- giques d'une capacité dans l'autre, et réciproquement , l'é- quilibre entre le métal et le corps réagissant est atteint.
Plus la force du versement sera grande, plus les réactions seront rapidement effectuées, toutes choses étant égales par ailleurs.
Si la réaction entre le corps solide et le métal donne lieu à la production d'un corps solide ou liquide peu volatil, il y a intérêt à verser le plus rapidement possible.
Il convient également, dans ce cas, que le corps solide
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soit, de préférence, introduit dans l'appareil sous une . forme suffisamment divisée, par exemple sous forme de petits morceaux, de grains, ou même éventuellement de poudre...
Si, au contraire, l'action du corps solide sur le métal donne,naissance à un corps gazeux.ou.très volatil, des précautions devront être prises pour que la rapidité de la réaction ne soit pas telle qu'elle conduise à une expulsion de.métal hors de l'appareil ou même à.une explosion. Outre que l'appareil devra'être convenablement ouver't pour permet..' tre la sortie des gaz au fur et à mesure de leur formation, deux moyens d'action pourront être mis en oeuvre pour régler l'allure de la réaction :
1) Ralentir la rapidité des versements successifs.
Mais dans ce cas, il faut cependant que le versement reste suffisamment énergique pour qu'il y ait pénétration.du corps solide au sein du métal fondu et mouvements'de remous de la masse, conditions essentielles pour qu'il y-ait réaction rapide.
2) Introduire périodiquement, par.fractions, les quantités de matières solides en proportions dosées (à cha- que versement par exemple), ou encore sous une forme moins. divisée. Il y a, dans ce cas, intérêt à'ne pas utiliser de poudre trop fine, celle-ci risquant d'être entraînée partiel- lement par les gaz qui se dégagent.
Le réglage sera effectué pour chaque traitement . particulier, par des essais préalables.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est sus- ceptible d'être appliqué dans des conditions avantageuses dans un appareil du type représenté schématiquement, à titre d'exemple, au dessin ci-annexé.
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L'appareil comprend deux capacitéà 1 et 2 relative- ment profondes, réunies l'une l'autre bouche à bouche et communiquant entre elles avec ouverture ,. l'air libre par le moyen d'une embouchure médiane 3. Ces deux capacités sont constituées par une enveloppe métallique 4 pourvue d'un gar- nissage réfractàire 5. L'ensemble est monté sur un axe 6, susceptible de tourner dans des paliers-supports 7 et reçoit un mouvement alternatif d'oscillation au moyen d'un mécanisme moteur approprié de type connu (non représenté).
Ce mouve- ment amne tour à tour chacune des capacités 1 et 2 dans une position alternativement et respectivement haute ou basse avec une inclinaison suffisante pour que son contenu se pré- cipite énergiquement de la plus grande hauteur possible dans l'autre capacité. Cet effet peut être facilité en don- nant d'abord une vitesse suffisante pour que la force cen- trifuge maintienne ou tende à maintenir la charge vers le fond de la capacité qui la contient, puis en faisant décroî- tre brusquement cette vitesse lorsque le fond du récipient va atteindre ou atteint le haut de sa course.
On peut parfaitement utiliser un appareil animé non pas d'un mouvement d'oscillation, mais d'un mouvement de rotation à vitesse constante ou au contraire variable comme précisé ci-dessus pour l'appareil oscillant, et dans lequel l'orifice de chargement et de coulée serait placé dans la partie centrale de l'appareil, le bec de coulée se trou- vant dirigé parallèlement à l'axe de rotation, et ménagé par exemple dans l'épaisseur d'un tourillon.
On a donné ci-après trois exemples d'application du présent procédé à diverses opérations métallurgiques :
1 Désoxydation du cuivre
On a introduit dans l'appareil une tonne de cuivre
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fondu très oxydé (cuivre au grain de son) contenant 1,1 % d'oxygène. On a ajouté en même temps 5 kgs de charbon de bois préalablement chauffé et l'on a effectué plusieurs oscil- lations. A chaque versement , il se produisit un bouillonne- ment très actif. On ajouta 800 grammes. de charbon de bois toutes les quatre oscillations. Au bout de quelques minutes, la teneur en oxygène était tombée à 0,02 %. Le cuivre était resté parfaitement fondu.
2 Désoxydation de l'acier
On a introduit dans un appareil, analogue à celui décrit ci-dessus, trois tonnes d'acier extra doux dont la teneur en oxygène était de 0,070 %. On a introduit en même temps 12 kgs de coke non sulfureux. On fit osciller l'appa- reil et au bout de deux minutes environ, on obtint un acier renfermant 0,4 % de carbone et dont la teneur en oxygène était tombée à 0,008 %.
On a donc pu ainsi, en partant d'un acier extra doux très oxydé, obtenir en très peu de temps, un acier mi-dur dont la teneur en oxygène était très basse.
Cet exemple montre que, grâce à la mise en oeuvre- du procédé, on a pu arriver à réaliser l'équilibre entre le carbone et l'oxygène dans 1!acier, équilibre qui n'est jamais atteint dans les fours métallurgiques.
En outre, le'rendement du carbone mis en jeu a atteint un chiffre beaucoup plus élevé que ceux'que l'on atteint dans la pratique avec les procédés déjà connus,
Rien ne s'oppose par ailleurs, si l'on veut réaliser, au lieu d'un acier au carbone ordinaire, un acier spécial, à ce que l'on ajoute dans l'appareil, de préférence après l'opération, des éléments d'addition à l'état solide ou
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liquide, tels que silicium, manganèse, chrome, nickel, etc. sous une forme de métal ou d'alliage.
. 3 Fabrication de fonte
Oh'a introduit dans l'appareil, d'une part, trois tonnes d'acier doux liquide provenant d'une opération de convertisseur Thomas. La teneur en carbone de cet acier était de 0,05 %; on ajouta d'autre part 20 Kgs do coke à ,faible teneur en soufre.
On donna à l'appareil une série d'oscillations.
Il se produisit un bouillonnement actif dû à l'action du coke sur l'oxygène dissous dans le métal. Le bouillonnment se ralentit au fur et à mesure que les oscillations se pour- suivaient.
On ajouta 20 Kgs de coke toutes les six oscillations, et, au bout de quelques minutes, on obtint une fonte dont la teneur en carbone était de 3,2 %.
On voit que, alors qu'une telle carburation effec- tuée dans un four aurait été extrêmement longue, surtout si l'on avait cherché, comme dans l'application qui vient d'être décrite, à atteindre des teneurs en carbone relativement éle- vées, cette application du procédé a permis d'effectuer l'opé- ration en quelques minutes sans aucun apport de chaleur exté- rieure et ceci, en partant d'un acier extra-doux suroxydé.
On peut ainsi fabriquer très facilement et économi- quement, en particulier, des fontes non phosphoreuses en par- tant d'acier Thomas extra-doux.
En arrêtant l'opération plus tôt on aurait obtenu un acier désoxydé dont la teneur en carbone aurait été plus éle- vée que celle de 1:acier de départ et aurait été réglée par le moment où l'arrêt do l'opération aurait été effectué.
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Dans le cas où la température de fusion du métal final est notablement inférieure à celle du métal initial,, on u- tilise, conformément à l'invention, les calories devenues disponibles par suite des différences de température en question, pour augmenter finalement, sans dépense de cha- leur extérieure ou sans avoir à développer nécessairement de la chaleur intérieure, le poids du métal initial et cela sans modifier sensiblement sa composition ou en la modifiant dans le sens d'une addition d'élément d'alliage.
A cet effet on ajoute au bain de métal, soit au cours de l'opération de traitement par la matière solide, soit à la fin de l'opération, c'est-à-dire une fois la transforma- tion du métal initial terminée. . des morceaux, fragments ou déchets de métal ou d'alliage. Grâce au fait que le bain métallique est à une température supérieure à son point de fusion et grâce également à. la rapidité des versements suc- cessifs, les éléments ainsi ajoutés se dissolvent rapidement dans le bain, même s'ils sont introduits froids, et cela sans que le bain se refroidisse au-dessous de la température qu'il doit conserver par son utilisation ultérieure.
On obtient finalement, par récupération des calories en excès qui, autrement, seraient perdues, un poids de métal supérieur à celui du métal initial augmenté de celui de la matière solide réagissante qui a'passé dans le mé- tal ; par exemple, s'il s'agit de la fabrication d'une fon- te, un poids de fonte supérieur à celui de l'acier initial augmenté de celui du carbone qui a passé dans la fonte.
La proportion des morceaux ou fragments de métal ou
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de déchets ou d'éléments d'alliage qu'il est possible d'incorporer ainsi au bain de métal est importante, pouvant atteindre pratiquement 5 %, et même davantage, du poids initial du métal mais elle est naturellement limitée par la quantité de calories en excès disponible aussi dans le cycle. Elle dépend @ de l'état de dtvision dans lequel se trouvent les matières à fondre ; exem- ple une mitraille ou ferraille fines ou de la tournure seront susceptibles de se dissoudre très rapidement. On peut déterminer aisément cette proportion, dans¯chaque cas, par le calcul cu mieux encore par l'expérience.
L'intérêt de telles additions métalliques dans l'appareil spécial mis en oeuvre réside dans l'utilisation particu- lièrement économique qui est ainsi faite de ces matières et des calories en excès, matières que l'on utilise normalement par fusion au four électrique ou au four Martin, c'est-à-dire avec dépense de calories exté- rteures.