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Perfectionnements aux procédés d'affinage des métaux.
La présente invention se rapporte à l'affinage des mé- taux, tant ferreux que non ferreux.
Beaucoup d'impuretés qui se trouvent dans les métaux sont normalement éliminées par oxydation, lorsque on fait fondre le métal et qu'on amené de l'air ou de l'oxygène en contact avec les impuretés de manière qu'elles soient éliminées à l'état gazeux ou à l'état solide sous forme de scories. La transformation. de la fonte en acier est un exemple de ce procédé connu et la présente invention, bien qu'elle n'y soit pas exclusivement limi- tée, peut être appliquée d'une manière particulièrement avanta- geuse à un pareil procédé d'affinage.
Suivant l'invention, le procédé d'affinage consiste à ;;injecter dans le métal en fusion, par projection, un fluide oxy- dant à une vitesse telle qu'une proportion suffisante du fluide
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.pénètre dans le métal pour y réagir sur les impuretés oxyaables et les éliminer du métal, et ce procédé est caractérisa en ce que le fluide employé ne contient pas plus de 30 % d'azote et une quanti- té d'oxygène comprise entre 70 % et 98 %.
Le mélange d'oxygène et d'azote peut être un gaz ou un liquide, chacun de ceux-ci présentant ses avantages propres.
Ainsi, par exemple, l'un des avantages qutoffre l'emploi d'un liquide au lieu d'un gaz pour le jet est que le liquide possède une plus grande force de pénétration dans le métal; si donc on le désire, la tuyère de projection peut être maintenue à une plus grande distance du métal. Un autre avantage résulte du fait que le mélange oxygène-azote est produit à l'état liquide pendant la fabrication normale, et peut être transporté et emmagasiné plus économiquement qu' un gaz.
Le fluide qui contient l'oxygène peut être projeté de haut en 'cas sur la surface du métal fondu à traiter, à une telle vitesse que la majeure partie du jet de fluide pénètre dans le bain. La vitesse du fluide à la surface du métal, nécessaire pour provoquer cette pénétration sensiblement complète doit nécessai- renient varier suivant les circonstances dans chaque cas. En parti- culier elle varie en fonction de la viscosité et de la densité du métal à traiter.
On a trouvé, par exemple,qu'une tuyère de 0,32 pouce de diamètre interne, dont le bec se trouve à 6 pouces au- dessus de la surface d'un bain de fonte en fusion nécessite une pression de gaz de 7 @@ 8 atmosphères pour refouler environ 10.000 pieds cubes de gaz par heure dans le bain à une vitesse d'environ 1250 pieds(sec.,cette vitesse étant obtenue par.un profil conve- nable de la tuyère. Les vitesses de cet ordre de grandeur sont dé- sirables en vue d'obtenir une pénétration et un effet optimum du fluide, mais des vitesses inférieures peuvent être employées en donnant lieu à une réduction correspondante de la production d'o-
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xygène.
L'oxygène ainsi réfléchi peut être utilisé pour brûler 'les gaz combustibles engendrés, tels que l'oxyde de carbone, en produisant ainsi une chaleur supplémentaire.
La grande vitesse du jet de fluide a pour effet que la source des réactions chimiques d'oxydation se trouve à l'intérieur du bain à une bonne distance de la garniture réfractaire du four.
Ces réactions sont habituellement exothermiques, la chaleur déve- loppée étant fréquemment la seule chaleur nécessaire pour main- tenir le métal à la température et à la fluidité voulues. Le fait que les réactions se produisent à l'intérieur du bain assu- re l'utilisatin de la chaleur développée à un degré maximum.
D'autre part, la détente du gaz à la sortie de la tuyère sert à maintenir la tuyère froide. La pénétration du jet remplit aussi la fonction utile d'agiter le bain de manière que les réactions se produisent uniformément et au degré maximum. On peut régler la marche de l'affinage en faisant varier l'inclinaison du jet ,par rapport à la surface ou en faisant varier la vitesse des gaz ou leur composition.
L'une des plus grandes difficultés qu'on a rencontrées jusqu'ici dans l'affinage des métaux en faisant passer un courant d'air relativement faible à travers le métal est que l'azote et quelquefois l'hydrogène sont absorbés et restent dans le métal à la fin de l'opération d'affinage. On a déjà proposé de vaincre cette difficulté en employant de l'oxygène pur, mais cette idée n'a jamais été appliquée sur une large échelle en raison du prix relativement élevé de l'oxygène pur.
Toutefois, on a maintenant trouvé que si le jet de fluide projeté à grande vitesse dans le métal est forme d'oxygène ne contenant pas plus de 30 % d'azote, pratiquement rien de ce dernier gaz n'est absorbé par le métal. D'autre- part, on a trouvé qu'il était trop coûteux d'employer un fluide contenant plus de
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98 $o d'oxygène, en sorte que pour réaliser la présenta invention on a donné, aux rapports de l'azote, à 11 oXYiS -n dans le fluide àaffindge des valeurs comprises entre )0/70 et 2/bd.
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Le pourcentage préféré de la, teneur an azote ast compris
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entre 5 0 et 25 fih et actusilement le prix de l'oxY68n1 contenant ce pourcentage d'azote :3 'it relativement cas et n 1 rll",,)iC!l,-; pd-s 1 t dr plicatton industrielle de l'invention.
Si l'on utilise l 1 itlv,ütion pour tranaformej.' de 1d fon- te en acier, on peut employer eL,: 1 t d,1.c pendant 1.....J.:u:e"ùf31't:;) partie de 110lÎ1ct.tion de conversion, jusqu là. cc quu .0,--Ut-atz- la. moitié de la teneur en carbone ait été oxydée et tax.aim:r le! Soufflage à l'aide d' oxygen3 ne coutenaat po-e .J?lU!:3 OE.; j0 $o d'azote pour produire des 'pulles d'oxyde de carbone qui, en sléldvdzlt, à trct.- vers le métal entraînent tout azote pr: .3,:nt dans le iàétal ou retenu pendant la ijr,3,ui ère partie du soufflage.
L'invention peut 3tr, appliquée de r11 V(;n:8'S lilCU1iÈn"3s au procédé Bessemer connu; é:Ün8i, par ex#ni>1e, dant! le procédé Bessemer basiqu3 usuel, 1e soufflage peut se faile jusqu1à la fin (.le la période de rld.1ltll'$ du caraone, après quoi on fait bas- culer le, convertisseur vers le 'Où.s, on coupe l'arrivée d'air et
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on envoie un jet à grande vitesse d'oxygène et d'azote, à l'état liquide ou gazeux, pour oxyder les impuretés restantes, le déga-
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geauent de chaleur s'achevant de la manière habituelle, on fait pé-
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nétrer le jet dans la surface du bain de métal fondu de l'une ou
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l'autre ma.nièl'8' ci-aes,3us décrite .
Suivant une variante, on peut prolonger le soufflage
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normal du Bessemer jusqu'à, ce que la majeure partie du phosphore
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ait été éliminée, après qui on fait basculer le conveitlaseu de
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haut.en bas, on enlève le laitier et-on ajoute une nouvelle quan-
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tité de carbone, notamment par llado.1tion de fonte, ou ue métal
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du mélangeur, on y ajoute de la chaux et, si on le désire, d t au-
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très fondants, et on continue ensuite le soufflage pendant quel- ques minutes au jet d'oxygène/azote à grande vitesse, de manière à obtenir un acier à basse teneur en azote.On achève alors l'élabora- tion de l'acier jusqu'à l'obtention. de la composition désirée par 1'addition de terra-manganèse, spiegel, aluminium, etc.
L'une au l'autre de ces modifications au procède Bessemer conduit à un acier dont les teneurs en azote, soufre et phosphore sont comparables à celles de l'acier au four Martin ou de l'acier électrique.
On peut Introduire le jet dans le métal fondu soit par le bec du convertisseur soit par l'une des tuyères, peu importe que celles-ci se trouvent dans le fond ou les côtés du convertisseur. S'il s'agit 4'un convertisseur à soufflage par le fond, on peut établir dans la plaque du fond, une porte, qu'on ouvre, après basculement du convertisseur vers le bas, pour permettre au jet de passer par les trous de tuyère.
'On a trouvé que lorsqu'on modifie le procédé Bessemer normal en y incorporant la présente invention, c'est-à-dire lorsque le soufflage normal est remplacé par un jet à grande vitesse d'oxygène ne contenant pas plus de 30 % d'azote,'le phosphore est en substance entièrement éliminé avant l'élimina- tion de la totalité de carbone. Il s'ensuit que le procédé mo- difié offre le très grand avantage d'éviter la nécessité de recarburer le métal à la fin du soufflage. Il devient inutile de munir le Bessemer du fond usuel si le jet à grande vitesse est projeté dans le bain de métal fondu par une ou plusieurs tuyères, dont les ajutages sont situés à quelques pouces au-dessus de la surface du bain de métal.
Dans le procédé connu, l'azote qui pas- se au travers du bain absorbe une grande partie de la chaleur dé- gagée, mais suivant la présente invention, comme la quantité d'a- zote est très fortement réduite, il y a une grande-économie de
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chaleur Les réactions se produisent 'beaucoup plus rapidement ce qui permet d'atteind@e des températures plus élevées* Il s'ensuit que le procédé peut être appliqué à la conversion de métaux bruts contenant des proportions beaucoup plus faibles d'éléments géné- rateurs de chaleur cornue le silicium, le carbone et le phosphore.
En variante ou en outre, la procédé peut être employé pour des métaux brute comportant des pourcentages beaucoup plus élevée de tournures ou rognures, étant donné que comme il a été indiqué ci- dessus on n'introduit pas d'azote dans le métal etévidemment pas non plus d'hydrogène puisqu'il n'y en a pas dans le jet.
- De la manière dont les convertisseurs opéraient Jusqu'ici il n'admettaient pas d'additionner la charge de plus de 5 % de mitrailles ou autres déchets d'usinage, bien que 25 % enviion des lingots d'acier obtenus par ce procédé reviennent des ateliers sous forme de déchets. Il gerait extrêmement avantageux pour une usine autonome d'utiliser la totalité de ses propres déchets et au prix ,où sont actuellement les mitrailles d'acier, lequel est inférieur à la moitié de celui de la fonte, un pourcentage encore plus élevé de déchets constitue un nouvel avantage important.
En conséquence, un autre but de l'invention est de réa- liser un procédé pour 1'oxydation des impuretés contenues dans les métaux, qui ne soit pas limité comme jusqu'ici par les quan- tités relatives d'éléments générateurs de chaleur dumétal brut, de telle sorte que le procédé présente une grande souplesse, en ce sens qu'il peut convenir pour des charges dont les rapports des mitrailles au fer fondu varient considérablement et dont les compositions.du fer sont extrêmement différentes en ce qui concer- ne les éléments générateurs de chaleur ci-dessus mentionnés.
On atteint ce but en ajoutant au bain d'une manière con- tinue ou d'une manière intermittente, pendant que le jety pénètre, un élément générateur de chaleur tel que le carbone.
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Ce procédé spécial peut être réalisé dans un four fermé, garnissages réfractaires, basculant ou rotatif, pourvu de sorties ses deux extrémités pour l'échappement des gaz brûlant au dessus du métal. A chaque extrémité sont également aménagés un ou plusieurs ajutages à 1'aide. desquels un mélange d'azoteet d'oxygène peut être projeté à une grande vitesse dans un bain de métal fondu reposant sur la sole du four.
La section transversale du foyer est de préfé- rence elliptique ou ovoide, son grand axe étant vertical et de pré- férence plus long que son axe horizontal, car cette forme présente les avantages de donner lieu à un ciel ou une voûte de portée re- lativement faible de telle sorte que le chargement peut se faire par le haut et que par conséquent les parois tant avant qu'arrire du four peuvent présenter une inclinaison, qui n'est actuellement réalisée d'habitude qu'à la paroi arrière d'un four Martin de type conventionnel. Le foyer est pourvu à chaque extrémité d'un seul régénérateur à travers lequel on fait circuler les gaz brûlés et dans lequel l'air entrant pour la combustion est réchauffé.
Le ren- versement se fait à des intervalles appropriés qui, en raison de la vitesse de l'opération, peuvent'coïncider avec le chargement.
Le four est chargé au début de métal fondu tel que de la fonte renfermant une proportion relativement élevée de carbone et/ou d'autres éléments engendrant de la chaleur, ou bien ce métal peut être fondu dans le four, après avoir été chargé, par des¯brûleurs à gaz. A l'aide d'ajutages à l'une des extrémités du four, on projette dans le bain de métal fondu un jet de fluide consistant de préférence en un mélange de 10 o d'azote et 90 % d'oxygène. Le jet est dirigé de haut en bas sur la 'surface du métal, à une vi- tesse suffisamment élevée pour assurer la pénétratiôn de la quasi totalité du fluide dans le bain.
Le jet sert à maintenir une vi- goureuse agitation de façon que les réactions oxydantes se pour- suivent, à l'intérieur du bain, à une très grande vitesse et avec
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un très grand rendement chimique en oxygène.
Le silicium et le phosphore passent dans le laitier, tandis que le carbone brûle en donnant de 1'oxyde de carbone qui s'élève au-dessus du métal et du laitier, où il brûle en se trans- formant en anhydride de carbone avec l'air ou l'oxygène ou un mé- lange d'oxygène et d'azote admis à l'extraite interne du four.
Toutes ces réactions sont exothermiques et fournissent une partie de la chaleur nécessaire pour maintenir l'opération en train.
On charge les mitrailles dans le four entre le centre de ce der- nier et l'extrémité de sortie, pendant la période de soufflage.
Le jet d'oxygène-azote conjointement avec un laitier approprié enlève une grande proportion de soufre, de telle sorte que l'addition directe de cnarbon, coke ou autre matière carbonée au bain'devient possiole. Il est toutefois préférable que la ma- tire carbonée niait qu'une faible teneur en soufre et en matiè- res volatiles.
On peut ajouter le carbone dans le bain soit d'une fa- con continue soit d'une faon intermittente et en quantités suffi- santes pour fournir par son oxydation la chaleur nécessaire pour maintenir la marche de 1'opération et fondre les mitrailles ajou- tées.
Le carbone ajouté au bain peut provenir dune "électrode massive" du type Soderberg pénétrant dans le four à travers le ciel à l'extrémité opposée à l'extrémité d'entrée et constituée par une matière carbonée telle que de l'anthracite ou du coke ag- gloméré au moyen de biai ou autre substance semolable, logée dans un gaine en acier et protégée a l'extérieur par une garniture réfractair,;. On peut élever et abaisser cette électrode à volonté à travers un. orifice à refroidissement par circulation d'eau ména- gé dans le ciel du Four.
Suivant une variante, on peut ajouter le carbone au bain sous forme de charbon pulvérisé injecté dans le four à une grande vitesse soit conjointement avec le fluide oxy-
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dant, soit par des ajutages séparés. Ou encore, il peut être projeté dans le métal par une machine centrifuge du type à jet de sable. Dans l'un ou 11 autre de ces deux derniers cas, le carbone peut être ajouté au bain du même côté du four que le jet, mais lorsqu'on emploie des ?électrodes,, il est préférable de faire descendre l'électrode dans la bain à l'extrémité de sortie du four de façon qu'elle ne gêne pas le jet.
Lorsqu'on immerge le carbone dans un bain de fer ou d'acier, il est connu que l'allure à laquelle le carbone se dis- sout est une fonction de la teneur en carbone du bain; elle est extrêmement rapide aux faibles teneuis et très lente lorsque la teneur en carbone du métal se rapproche de 3 %.
Pour des raisons du domaine de la métallurgie, il est désirable d'avoir un bouillonnement épurateur d'oxyde de carbone pour enlever toutes les impuretés gazeuses. Il est donc désira- ble, en raison de ces deux considérations, de maintenir la te- neur en carbone aux environs de 0,6 % à 1 % par exemple pendant la phase de l'opération au cours de laquelle on ajoute le carbo- ne au bain. Pour cette valeur le carbone se dissout rapidement et lorsqu'on arrête l'addition une quantité suffisante de car- bone reste dans le bain pour produire un bouillonnement finie- seur et assurer la teneur en carbone requise, en fin d'opération.
La valeur ci-dessus indiquée de 0,6 % de carbone peut être abais- sée, évidemment, si on produit de l'acier à faible teneur en car- bone. On peut régler la teneur en carbone du bain par le degré d'admission d'oxygène, le degré d'admission de carbone et la fré- quenee des renversements si la circulation du bain est faible.
Si dans certaines phases de la marche de l'opération, la combustion du silicium ou du phosphore est seule à se produire, alors, évidemment, il n'y a aucun avantage à permettre à l'air de passer à travers les lumières, le degré d'admission d'air
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étant fonction du degré de production d'oxyde ae carbone.
Pendant l'opération le laitier est maintenu dans les conditions voulues par l'addition de chaux, a'oxyde de fer, de
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spath fluor, d 1 aluiiii^cie (le silice et autres fondants. D9 prsf é- rence, la chaux est d'abord broyée uux dimensions de 2" à 4" et les fines sont enlevées,
On peut augmenter la production de métal et régler aus- si la température du oain, par l'addition de minerais de fer et d'oxydes de fer. Ce mode de réglage de la température peut être
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employé lorsqu'on ne aispose pas d'assez de uitrailles pour assu- rer un réglage aaéquat de la température.
Apres fusion de lu. totalité de la charge et soufflage jusqu'à obtention de la teneur désirée en carbone, on peut ache-
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ver l'acier de la manière usuelle par l'addition' de désoxydants et d'éléments dtdllid6e..
Le jet à grande vitesse provoque une agitation énergi-
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que et un e ltraineÛ13nt du laitier dans le corps du métal en assu- rant ainsi un mélange intime et de$ réactions rapides.
Inefficacité avec laquelle l'oxyde du carbone dégagé 'oiilà pour former l'anhydiide caruonique est considérablement augmentée par Inaction des J'égé>.iài.ateur<: qui réchauffent l' dir de combustion. Li. four doit ,3....t' établi pour peimettre aux gaz de rester dans 1 foyer pendant un temps :;u1'fi.,jant pour assurer une comoustion compi te à 11 int leur du l;'OOI'dtoiléJ au four.
Les lumières à di7 sont ae préférence ûtdl7. de manière à diriger 1e' courant d'air de Haut en bas vers l'extrémi- té adjacente du bain dt le'long ae la surface du laitier et du métal. Les ajutages sont placée soit coLe-a-cSte avec les lumière à air ou à t avers celles-ci (ou dans ces doux positions à la foie) de façon que les jets frappent le bain aussi près que possi-
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ble du côté du bain où se trouvent les luinlèrea. Cette disposi-
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tion permet à 1''oxyde de carbone produit par la combustion du bain d'être amène en contact immédiat avec l'air réchauffé. Il peut être avantageux de retirer les tuyères à oxygène qui ne sont pas en service.
Si on le désire on peut exécuter .l'opération dans un four annulaire, pourvu d'un arbre vertical'central, dans lequel on fond les mitrailles, des jets à grande vitesse d'un mélange d'oxygène et d'acte étant. dirigés dans le métal fondu qui est recueilli dans une sole annulaire entourant Marbre central à un niveau situé en dessous de l'extrémité inférieure de l'arbre.
Le procédé peut aussi être réalisé dans un convertie- s eur Bessemer, un four Martin, un four électrique ou tout autre four approprié pourvu ou non de récupérateurs,
On remarquera que le procédé décrit en dernier lieu est très souple quant au choix du rapportdes mitrailles au fer fondu, ce qui permet de profiter du cours prévalant des mi- trailles ou du fer. D'autre part la consommation de combustible pour la production d'un acier Martin est considérablement ré- duite,
Dans l'un ou l'autre des procédés ci-dessus, les mé- langes oxygène-azote peuvent être préchauffés avec ou sans l'ap- point de la'chaleur perdue des gaz dégagés au cours de la ré- action principale. Par ailleurs, ou en même temps, le métal brut peut être préchauffé.
L'opération peut être exécutée dans un four à arc électrique ou un four à induction, le métal brut étant préchauffé électriquement, auquel cas - .en complément du soufflage - l'acier peut être achevé par un cnauffage sous un laitier désoxydant. Par ce procédé, on peut @@tenir des aciers ordinaires et au carbone de même qualité que les aciers électri- ques., ,
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La chaleur peut également être engendrée par des ad- ditions convenables soit au jet soit au métal.
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Ainsi on peut insuffler avec e jet, ou par a'autres moyens, comme par exemple une admission de gaz séparée, un 31é- ment facilement oxydable (métal ou alliage), c'est-à.-dire un la- . ment qui possède une grande chetleur d'oxydation, CO;1LÜ,:;; le carbone, le silicium, l'aluminium, le calcium, le magnêsiut.i ou ua,utxea métaux ou alliages. Le 'out dans ce cas est d'augmenter la tempé- rature localement là où 1 jet frappe le bdin de faon à provo- quer plus rapidement Inaction oxydante. Ces nitlér>s sont de pré- férence ajoutécs à un état finement czivisé, par exemple sou'3 forme de tournures broyées ou de poudre* Ces .Additions peuvent, si on la désire, être introuuites deins 1 bwin autrement qut.t.aojrezl du jet.
D'autre part, on peut insuffler ild.'3 le 1<iàtai, 3imulta- némant avec le jet, un combustiuls 6d.Z-UX ou liquide, tel que le gaz de fours à coke, le b z âe gazogène, le gctz pauvre, l'huile ou le goudron. Le gaz ou liquide additionnel (loi être due telle meiniëre qu'il brûle dvec une certaine lIdXti8 de 11oxy:;è110 provenant du jet de manière à augmenter 10.. tei<ipà.;at1c-#.w 10c;,le.llent.
Dans l'un ou l'autre des deux cas mentionnes du dernier lieu on peut atteindre ues t'3..,?éra.tures plu.= élevées, ou 01.:'11 lea additions de mitrailles p-:uvent se f<.11l,3 0n ,UldSS0, pir ex ,,)arée.9 ou d'une façon continue, penàant l'opération de D u-fi &c.
Ou encore, on peut fondre les tournures Q t dcier dans un cubilot ou autre four, en contact avec des matières caloonées, et y insuffler ultérieurement le jet, le carbone absorbe Ud':'!S le cu- bilot ou autre four étant utilisé comme combustible pendant le soufflage du 8 t . , Le jet peut être tel qu'il t'ouâni3se un excès d'oxygène, de telle sorte qu'il brûle l'oxyde de carbone engendré par 1 roxy-
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dation du carbone et le transforme en anhydride de carbone sur
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n
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la surface du laitier ou du métal en produisant ainsi une chaleur additionnelle qui peut être utilisée pour fondre une plus grande quantité de mitrailles d'acier.
On peut arriver à ce résultat en réglant l'angle ou la vitesse du jet de manière que la totalité du mélange oxygène-azote ne pénètre pas dans le métal, l'oxygène en excès ou "réfléchi" servant à brûler l'oxyde de carbone libéré.
Des fondants, tels que la chaux, la castine, le spath- fluor, l'alumine et la silice, peuvent être ajoutés dans le but de former un laitier pour enlever ou neutraliser la silice, le pentoxyde de phosphore, et tout autre produit de l'opération doxy- dation. On peut aussi appliquer le procédé -qui consiste à préparer un laitier initial pour éliminer la silice et l'oxyde de manga- nèse, les oxydes de titanium ou de vanadium, à enlever le laitier . et à préparer ensuite un second laitier pour éliminer le phospho- re. Une double formation de laitier peut également être provoquée pour obtenir des aciersà basse teneur en phosphore ou soufre.
On peut préparer les laitiers au préalable si on le dé- sire.
Dans chacun de ces cas, l'oxygène du jet réagit non seu- lement avec les éléments constitutifs du métal mais aussi avec le latier, en augmentant ainsi la teneur en oxygène de ce dernier et par conséquent les réactions oxydantes d'une façon générale.
Le jet est établi sous un angle quelconque entre 15 et 90 par rapport à l'horizontale, mais de préférence entre 30 et 75 tandis que la distance du jet au métal et/ou au laitier doit être comprise entre 1 et 20 pouces, de préférence entre 4 et 12 pouces.
A mesure que le volume de laitier et de étal augmente celui-ci par l'addition de mitrailles - le niveau du métal chan- ge et on rend le jet ajustable de faon qu'il puisée être mainte- nu à une distance plus ou moins constante da bain métallique.
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La section du jet peut ne pas 'être circulaire et avoir par exemple une forme rectangulaire ou aplatie si c'est nécessaire.
Le jet peut être prêtée contre les éclaooussures ou l'écume du laitier ou du métal, au moyeu d'un tube en métal réfrac- taire ou par un revêtement réfactaire plastique. La tuyère et le tube sont de préférence exécutés en une substance susceptible de résister à l'oxydation, qui peut être un métal pu une te@re ré- fractaire.
Plusieurs jets convenablement situés dans le four peuvent être employés simultanément, et si on le désire chacun d'eux peut être animé d'un mouvement vibratoire oe manière à couvrir une plus large surface du bain.
La jet sert à faire circuler et agiter le métal et le laitier, ce qui est utile si des éléments d'alliages tels que le nickel ou le molybdène doivent être ajoutés, et il assure l'unifor- mité de la composition et de la température dans tout le bain.
Le procédé peut -être appliqué à l'affinage de métaux autres que le fer, par exemple aux mélanges employés pour le souf- flage des bains de sulfures en fusion, qu'on appelle mattes, tels que les sulfures de cuivre/fei ou les sulfures de cuivre/nickel/fer, où les principales impuretés à éliminer sont le fer et le soufre.
Le procédé de soufflage au jet décrit ci-dessus peut être employé conjointement avec d'autres procédés d'élaboration de 1'a- cier ou d'affinage connus. Par exemple le jet peut être employé pour fondre ou réchauffer du Métal brut et le procédé Martin ou le procédé Bessemer, acide ou basique, peuvent être utilisés pour ache. ver l'affinage du métal. D'autre part, le procédé Martin ou le procédé Bessemer, acide ou basique, peuvent être employés pour réchauffer le métal, après quoi le jet est employé pour affiner le métal. Dans le cas du procédé Martin, le traitement du métal peut être achevé en retirant le jet et en employant de nouveau la procé- dé Martin.
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Ou encore, on peutappliquer le procédé électrique nor- mal pour fondre la charge, après quoi des jets oxydants à grande vitesse sont insufflés dans le métal, pour effectuer les'prin- ci;pales opérations d'affinage, puis on peut procéder à la désoxy- dation et à la désulfuration de la manière normale au four élec- trique.
La présente invention peut être employée dans son appli- càtion au four Martin normal, non pas'tant en vue d'améliorer la qualité de l'acier que dans le but de rendre le procédé moins coû- teux. Ainsi le temps que prend l'opération ae conversion au four Martin peut être réduit dans des proportions très notables par ltintroduction à travers les portes de chargement ou à .travers la paroi arrière du four de jets à grande vitesse qui projettent un gaz oxydant dans le bain métallique pendant Inexécution du procédé Martin normal.
Dans les'revendications c-aprs, 1à où il est ques- tion de projection d'un jet de fluide sur du métal en fusion, cette expression doit être considérée comme s'étendant au cas où le jet frappe en.réalité le laitier à la.surface du métal fondu et agit sur le métal en passant au travers du laitier et en at- teignant le métal, et/ou en renouvelant le laitier de manière régénérer ou augmenter son pouvoir d'agir sur le métal.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Improvements to metal refining processes.
The present invention relates to the refining of metals, both ferrous and non-ferrous.
Many of the impurities found in metals are normally removed by oxidation, when the metal is melted and air or oxygen is brought into contact with the impurities so that they are removed in the process. 'gaseous state or in the solid state in the form of slag. The transformation. Cast steel is an example of this known process and the present invention, although not exclusively limited thereto, can be applied particularly advantageously to such a refining process.
According to the invention, the refining process consists in ;; injecting into the molten metal, by spraying, an oxidizing fluid at a rate such that a sufficient proportion of the fluid
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.penetrates into the metal to react there with the oxidizable impurities and to remove them from the metal, and this process is characterized in that the fluid employed does not contain more than 30% nitrogen and an amount of oxygen of between 70% % and 98%.
The mixture of oxygen and nitrogen can be a gas or a liquid, each of these having its own advantages.
Thus, for example, one of the advantages of using a liquid instead of a gas for the jet is that the liquid has a greater force to penetrate the metal; if so desired, the projection nozzle can be kept at a greater distance from the metal. Another advantage results from the fact that the oxygen-nitrogen mixture is produced in a liquid state during normal manufacturing, and can be transported and stored more economically than a gas.
The fluid which contains the oxygen can be sprayed from above onto the surface of the molten metal to be treated, at such a speed that the major part of the stream of fluid enters the bath. The velocity of the fluid at the metal surface necessary to bring about this substantially complete penetration must necessarily vary according to the circumstances in each case. In particular, it varies as a function of the viscosity and the density of the metal to be treated.
It has been found, for example, that a 0.32 inch internal diameter nozzle with a nozzle 6 inches above the surface of a bath of molten iron requires a gas pressure of 7%. @ 8 atmospheres to force about 10,000 cubic feet of gas per hour into the bath at a speed of about 1250 feet (sec., This speed being obtained by a suitable nozzle profile. Velocities of this order of magnitude are desirable in order to obtain optimum penetration and effect of the fluid, but lower speeds may be employed giving rise to a corresponding reduction in the production of o-
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xygen.
The oxygen thus reflected can be used to burn the fuel gases generated, such as carbon monoxide, thereby producing additional heat.
The high velocity of the fluid jet causes the source of the chemical oxidation reactions to be inside the bath at a good distance from the refractory lining of the furnace.
These reactions are usually exothermic, the heat developed frequently being the only heat necessary to maintain the metal at the desired temperature and fluidity. The fact that the reactions take place inside the bath ensures the use of the heat developed to a maximum degree.
On the other hand, the expansion of the gas at the outlet of the nozzle serves to keep the nozzle cold. The penetration of the jet also performs the useful function of agitating the bath so that the reactions occur uniformly and to the maximum degree. The progress of the refining can be adjusted by varying the inclination of the jet relative to the surface or by varying the speed of the gases or their composition.
One of the greatest difficulties so far encountered in refining metals by passing a relatively weak air stream through the metal is that nitrogen and sometimes hydrogen are absorbed and remain in the metal. the metal at the end of the refining operation. It has already been proposed to overcome this difficulty by employing pure oxygen, but this idea has never been applied on a large scale due to the relatively high price of pure oxygen.
However, it has now been found that while the high velocity jet of fluid projected into the metal is oxygen containing no more than 30% nitrogen, virtually none of the latter gas is absorbed by the metal. On the other hand, it has been found to be too expensive to employ a fluid containing more than
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98% oxygen, so that in order to carry out the present invention, values of between) 0/70 and 2 / bd have been given at the nitrogen ratios at 11 ° XYiS -n in the fluid to be affindged.
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The preferred percentage of the nitrogen content is included
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between 5 0 and 25 fih and currently the price of oxY68n1 containing this percentage of nitrogen: 3 'it relatively case and n 1 rll ",,) iC! l, -; pd-s 1 t industrial plicatton of l 'invention.
If we use l 1 itlv, ütion for tranaformej. ' of 1d steel casting, we can use eL ,: 1 td, 1.c for 1 ..... J.:u:e"ùf31't :;) part of 110lÎ1ct.tion of conversion, until then . cc quu .0, - Ut-atz- half of the carbon content has been oxidized and tax.aim: r le! Blowing with oxygen3 does not cost po-e .J? lU !: 3 OE .; j0 $ o of nitrogen to produce carbon monoxide pulles which, on release, trct. To the metal entrain all the nitrogen pr: .3,: nt in the metal or retained during the ijr , 3, ui st part of the blowing.
The invention can be applied from r11 V (; n: 8'S lilCU1iÈn "3s to the known Bessemer process; to: Ün8i, eg # ni> 1e, in the usual basic Bessemer process, the blowing can be done until the end. (.le the period of rld.1ltll '$ of the caraone, after which we switch the, converter to the' Where.s, we cut off the air supply and
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a high-speed jet of oxygen and nitrogen, in liquid or gaseous state, is sent to oxidize the remaining impurities, degrade it.
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geauent of heat ending in the usual way,
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penetrate the jet into the surface of the molten metal bath of one or
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the other ma.nièl'8 'above, 3us described.
According to a variant, the blowing can be extended
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normal Bessemer until most of the phosphorus
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has been eliminated, after which we tilt the conveitlaseu of
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up. down, we remove the slag and add a new quantity
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tity of carbon, in particular by lado.1tion of cast iron, or ue metal
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from the mixer, lime is added and, if desired, further
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very melting, and then the blowing is continued for a few minutes with an oxygen / nitrogen jet at high speed, so as to obtain a steel with a low nitrogen content. The production of the steel is then completed until 'upon obtaining. of the desired composition by the addition of terra-manganese, spiegel, aluminum, etc.
Both of these modifications to the Bessemer process lead to a steel whose nitrogen, sulfur and phosphorus contents are comparable to those of Martin furnace steel or electric steel.
The jet can be introduced into the molten metal either through the nozzle of the converter or through one of the nozzles, regardless of whether these are in the bottom or sides of the converter. In the case of a bottom blown converter, a door can be established in the bottom plate, which is opened, after tilting the converter downwards, to allow the jet to pass through the holes. nozzle.
It has been found that when the normal Bessemer process is modified by incorporating therein the present invention, i.e. when the normal blowing is replaced by a high velocity jet of oxygen containing not more than 30% d 'nitrogen' phosphorus is substantially completely removed before all carbon is removed. It follows that the modified process offers the very great advantage of avoiding the need to recarburize the metal at the end of the blowing. It becomes unnecessary to provide the Bessemer with the usual bottom if the high velocity jet is projected into the molten metal bath by one or more nozzles, the nozzles of which are located a few inches above the surface of the metal bath.
In the known process, the nitrogen which passes through the bath absorbs a large part of the heat given off, but according to the present invention, as the quantity of nitrogen is very greatly reduced, there is a great saving of
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heat Reactions take place much faster which allows higher temperatures to be reached * It follows that the process can be applied to the conversion of crude metals containing much lower proportions of generating elements. heat retorts silicon, carbon and phosphorus.
As a variant or in addition, the process can be employed for raw metals comprising much higher percentages of turnings or chippings, since as indicated above no nitrogen is introduced into the metal and of course not. no more hydrogen since there is none in the jet.
- From the way in which the converters operated Until now they did not admit to add the load of more than 5% of scrap or other machining waste, although about 25% of the steel ingots obtained by this process come back workshops in the form of waste. It would be extremely advantageous for a stand-alone plant to use all of its own waste and at the cost, where steel scrap now is, which is less than half that of smelting, an even higher percentage of waste constitutes an important new advantage.
Accordingly, another object of the invention is to provide a process for the oxidation of impurities contained in metals which is not limited as heretofore by the relative amounts of heat-generating elements of the metal. raw, so that the process is very flexible, in the sense that it can be suitable for feeds whose ratios of scrap to molten iron vary considerably and whose iron compositions are extremely different with regard to the above-mentioned heat-generating elements.
This is achieved by adding to the bath in a continuous or intermittent manner, while the liquid is entering, a heat generating element such as carbon.
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This special process can be carried out in a closed furnace, refractory linings, tilting or rotating, provided with outlets at both ends for the escape of gases burning above the metal. At each end are also provided one or more nozzles for the aid. from which a mixture of nitrogen and oxygen can be projected at high speed into a bath of molten metal resting on the bottom of the furnace.
The cross-section of the hearth is preferably elliptical or ovoid, its major axis being vertical and preferably longer than its horizontal axis, because this shape has the advantages of giving rise to a sky or a vault of re- spanning. relatively low so that loading can be done from the top and therefore the walls both front and rear of the furnace can have a slope, which is currently usually only at the rear wall of a conventional type Martin oven. The fireplace is provided at each end with a single regenerator through which the burnt gases are circulated and in which the air entering for combustion is heated.
Tipping takes place at suitable intervals which, due to the speed of the operation, may coincide with loading.
The furnace is initially charged with molten metal such as cast iron containing a relatively high proportion of carbon and / or other heat-generating elements, or this metal may be melted in the furnace, after being charged, for example gas burners. Using nozzles at one end of the furnace, a fluid jet is projected into the bath of molten metal, preferably consisting of a mixture of 10 ° of nitrogen and 90% of oxygen. The jet is directed up and down over the surface of the metal at a rate high enough to ensure the penetration of substantially all of the fluid in the bath.
The jet is used to maintain vigorous agitation so that the oxidative reactions continue inside the bath at a very high speed and with
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a very high chemical yield of oxygen.
The silicon and phosphorus pass into the slag, while the carbon burns to give carbon monoxide which rises above the metal and the slag, where it burns, changing to carbon anhydride with the air or oxygen or a mixture of oxygen and nitrogen admitted to the internal extract of the furnace.
All of these reactions are exothermic and provide some of the heat necessary to keep the operation going.
Scrap metal is loaded into the furnace between the center of the furnace and the outlet end, during the blowing period.
The jet of oxygen-nitrogen together with a suitable slag removes a large proportion of sulfur, so that direct addition of carbon, coke or other carbonaceous material to the bath becomes possible. It is, however, preferable that the carbonaceous material denies only low sulfur and volatile matter content.
The carbon can be added to the bath either continuously or intermittently and in sufficient quantities to provide by its oxidation the heat necessary to keep the operation going and to melt the additional scrap. tees.
The carbon added to the bath may come from a Soderberg-type "massive electrode" entering the furnace through the sky at the end opposite the inlet end and consisting of a carbonaceous material such as anthracite or coke. agglomerated by means of biai or other semolable substance, housed in a steel sheath and protected on the outside by a refractory lining,;. One can raise and lower this electrode at will through a. orifice cooled by domestic water circulation in the oven ceiling.
According to a variant, the carbon can be added to the bath in the form of pulverized carbon injected into the furnace at a high speed, either together with the oxidized fluid.
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either by separate nozzles. Or, it can be projected into the metal by a centrifugal machine of the sand jet type. In either of the latter two cases, the carbon can be added to the bath on the same side of the furnace as the jet, but when using electrodes it is preferable to lower the electrode into the bath. bath at the outlet end of the oven so that it does not obstruct the jet.
When carbon is immersed in an iron or steel bath, it is known that the rate at which carbon dissolves is a function of the carbon content of the bath; it is extremely fast at low contents and very slow when the carbon content of the metal approaches 3%.
For reasons of metallurgy, it is desirable to have carbon monoxide scavenging bubbling to remove all gaseous impurities. It is therefore desirable, on account of these two considerations, to maintain the carbon content in the region of 0.6% to 1%, for example during the phase of the operation during which the carbon is added. do in the bath. At this value the carbon dissolves rapidly and when the addition is stopped a sufficient quantity of carbon remains in the bath to produce a final bubbling and ensure the required carbon content at the end of the operation.
The above stated value of 0.6% carbon can be lowered, of course, if low carbon steel is produced. The carbon content of the bath can be controlled by the degree of oxygen intake, the degree of carbon intake and the frequency of spillage if the bath circulation is low.
If in certain phases of the operation, the combustion of silicon or phosphorus is the only one to occur, then, obviously, there is no advantage in allowing air to pass through the lights, the air intake degree
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depending on the degree of carbon monoxide production.
During the operation the slag is maintained in the desired conditions by the addition of lime, iron oxide,
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fluorspar, aluminum spar (silica and other fluxes. Preferably, lime is first ground to size 2 "to 4" and fines are removed,
The metal production can be increased and the temperature of the water can also be regulated by the addition of iron ores and iron oxides. This temperature adjustment mode can be
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used when not enough shot to ensure proper temperature control.
After merging read. all of the charge and blowing until the desired carbon content is obtained, it is possible to
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to steel in the usual manner by the addition of deoxidizers and additional elements.
The high-speed jet causes vigorous agitation.
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that and entrainment of slag into the body of the metal thus ensuring intimate mixing and rapid reactions.
The inefficiency with which the carbon monoxide given off to form caruonic anhydiide is considerably increased by the inaction of the gases which heat the combustion process. Li. Furnace must, 3 .... t 'established to allow the gas to remain in 1 hearth for a time:; u1'fi., Rim to ensure a complete comoustion at 11 inside the l;' OOI'dtoiléJ in the oven.
The lights at di7 are preferably ûtdl7. so as to direct the air stream from top to bottom towards the adjacent end of the bath along the surface of the slag and the metal. The nozzles are placed either side by side with or against the air lights (or in these soft positions to the liver) so that the jets hit the bath as close as possible.
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ble on the side of the bath where the lights are located. This provision
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This allows the carbon monoxide produced by the combustion of the bath to be brought into immediate contact with the heated air. It may be advantageous to remove oxygen nozzles which are not in service.
If desired, the operation can be carried out in an annular furnace, provided with a vertical central shaft, in which the scrap metal is melted, high speed jets of a mixture of oxygen and act being. directed into the molten metal which is collected in an annular hearth surrounding central marble at a level below the lower end of the shaft.
The process can also be carried out in a Bessemer converters, a Martin furnace, an electric furnace or any other suitable furnace provided or not with recuperators,
It will be noted that the process described last is very flexible as regards the choice of the ratio of the scrap to the molten iron, which makes it possible to take advantage of the prevailing price of the iron or of the iron. On the other hand the fuel consumption for the production of a Martin steel is considerably reduced,
In either of the above processes, the oxygen-nitrogen mixtures can be preheated with or without the addition of waste heat from the gases given off during the main reaction. On the other hand, or at the same time, the raw metal can be preheated.
The operation can be carried out in an electric arc furnace or an induction furnace, the raw metal being electrically preheated, in which case - in addition to the blowing - the steel can be completed by heating under a deoxidizing slag. By this process, ordinary and carbon steels of the same quality as electric steels can be obtained.
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Heat can also be generated by suitable additions to either the jet or the metal.
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Thus, an easily oxidizable component (metal or alloy), ie a la-, can be blown with this jet, or by other means, such as for example a separate gas inlet. ment which has a large oxidation chetleur, CO; 1LÜ,: ;; carbon, silicon, aluminum, calcium, magnesiut.i or ua, utxea metals or alloys. The effect in this case is to increase the temperature locally where the jet hits the bdin so as to cause oxidative inaction more quickly. These nitrates are preferably added in a finely czivized state, for example in the form of ground turnings or powder. These additions can, if desired, be added to bwin otherwise qut.t.aojrezl of the jet.
On the other hand, it is possible to blow ild.'3 on 1 <iàtai, 3 simultaneously with the jet, a 6d.Z-UX or liquid combustiuls, such as coke oven gas, gasifier bz, gctz poor, oil or tar. The additional gas or liquid (law be due so small that it burns with a certain lIdXti8 of 11oxy:; è110 coming from the jet so as to increase 10 .. tei <ipà.; At1c - #. W 10c;, the.llent .
In one or the other of the two cases mentioned in the last place we can reach ues t'3 ..,? Éra.tures plu. = High, or 01.:'11 the additions of grapeshot p-: uvent is f <.11l, 3 0n, UldSS0, pir ex ,,) arée.9 or continuously, during the operation of D u-fi & c.
Alternatively, the Q t dcier turnings can be melted in a cupola or other furnace, in contact with calooned materials, and subsequently blown into the jet, the carbon absorbs Ud ':'! S the bowl or other furnace being used as fuel during the blowing of the 8 t. , The jet can be such that it gives you an excess of oxygen, so that it burns the carbon monoxide generated by 1 oxy-
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dation of carbon and transforms it into carbon anhydride on
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not
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the surface of the slag or metal thereby producing additional heat which can be used to melt more steel scrap.
This can be achieved by adjusting the angle or the speed of the jet so that all of the oxygen-nitrogen mixture does not penetrate the metal, the excess or "reflected" oxygen serving to burn the carbon monoxide. released.
Fluxes, such as lime, limestone, fluorspar, alumina and silica, may be added for the purpose of forming a slag to remove or neutralize silica, phosphorus pentoxide, and any other product of the oxidation operation. It is also possible to apply the process - which consists in preparing an initial slag to remove the silica and the manganese oxide, the oxides of titanium or of vanadium, to removing the slag. and then preparing a second slag to remove the phosphorus. A double formation of slag can also be caused to obtain steels with a low phosphorus or sulfur content.
You can prepare the slag beforehand if you wish.
In each of these cases, the oxygen in the jet reacts not only with the constituent elements of the metal but also with the slurry, thus increasing the oxygen content of the latter and consequently the oxidative reactions in general.
The jet is set at any angle between 15 and 90 to the horizontal, but preferably between 30 and 75 while the distance of the jet to metal and / or slag should be 1 to 20 inches, preferably between 4 and 12 inches.
As the volume of slag and slag increases this by the addition of scrap metal - the level of the metal changes and the jet is made adjustable so that it can be held at a distance more or less. constant da metallic bath.
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The section of the jet may not be circular and for example have a rectangular or flattened shape if necessary.
The jet can be applied against spatter or scum from slag or metal, at the hub of a refractory metal tube or by a plastic refractory coating. The nozzle and the tube are preferably made of a substance capable of resisting oxidation, which may be a refractory or refractory metal.
Several jets suitably located in the furnace can be employed simultaneously, and if desired each of them can be animated by a vibratory movement so as to cover a larger surface of the bath.
The jet serves to circulate and agitate the metal and the slag, which is useful if alloying elements such as nickel or molybdenum are to be added, and it ensures uniformity of composition and temperature. throughout the bath.
The process can be applied to the refining of metals other than iron, for example to the mixtures used for blowing baths of molten sulphides, which are called mattes, such as copper / fei sulphides or copper / nickel / iron sulphides, where the main impurities to be removed are iron and sulfur.
The jet blowing process described above can be employed in conjunction with other known steelmaking or refining processes. For example the jet can be used to melt or heat raw metal and the Martin process or Bessemer process, acidic or basic, can be used for ache. to the refining of the metal. On the other hand, the Martin process or the Bessemer process, acidic or basic, can be used to heat the metal, after which the jet is used to refine the metal. In the case of the Martin process, the metal processing can be completed by removing the jet and again employing the Martin process.
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Alternatively, the normal electrical process can be applied to melt the feed, after which high speed oxidizing jets are blown into the metal, to perform the main refining operations, and then the refining can be carried out. deoxidizing and desulphurizing in the normal electric oven manner.
The present invention can be employed in its normal Martin furnace application, not with a view to improving the quality of the steel, but with an aim of making the process less expensive. Thus the time taken for the operation of the conversion to the Martin furnace can be reduced in very notable proportions by the introduction through the loading doors or through the rear wall of the furnace of high speed jets which project an oxidizing gas into the furnace. metal bath while not performing the normal Martin process.
In the following claims, 1 where it is a matter of projecting a jet of fluid onto molten metal, this expression should be taken to extend to the case where the jet actually hits the slag at the surface of the molten metal and acts on the metal by passing through the slag and reaching the metal, and / or by renewing the slag so as to regenerate or increase its power to act on the metal.
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