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PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES D'ELABORATION DE L'ACIER.
La. présente invention est relative de manière générale à un pro-
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cédé d -'élabo ration de l'acier, et plus particulièrement a des perfectionnements aux étapes d9affinage de ce procédé.
Elle a pour objet un procédé d'élaboration de leacier, #racté risé par le fait que, dans une zone d'affinage à revêtement basique, on intro- duit du fer fondu, une matière contenant de l'oxyde de fer, et un réactif ha- sique formant un laitier;
que 1'on crée une agitation turbulente du métal ion- du en introduisant dans la zone précitée un gaz oxydant dont la teneur en oxy- gène dépasse environ 21 % en volume, que l'on met directement en contact ce gaz et le métal fondu pour oxyder le- phosphore du fer et former rapidement un laitier oxydé basique contenant ce phosphore avant que la teneur en carbo-
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ne du fer soit abaissée jusqu'à la valeur' fiTiaEle désiré eT et que 190n.. cqnti- nue à introduire le-gaz pour- éliminer du carbone jusqu'à obtenir la teneur finale voulue, par oxydation de ce carbone-.
Bien que les divers procédés d'élaboration de 1-'acier différent par 1-'équipement, les matières brutes et les produits finis, ils ont sensible-
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ment les mêmes objectifs généraux suî sont - ( (1) fondre toute la charge métal- lique et la maintenir fondue; (2) affiner-le métal en éliminant ses impuretés- et, si nécessaire, en effectuant certaines additions, afin d'obtenir une ana- lyse chimique déterminée. Les caractéristiques distinctives dès-divers procé- dés ont trait essentiellement aux moyens mis en oeuvre pour obtenir une char-
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ge complètement fondue et la maintenir dans cet état,et à 19a4peur que peu- vent présenter les réactions primaires cl-affinage.
Dans un procédé d9,élaboration dè -l9aGier, la source de chaleur peut varier et dépend essentiellement de la nature des matières brutae à trai- ter. Par exemple, si la charge initiale est composée en majeure partie de fer fondu, on peut utiliser la chaleur interne dégagée pendant les'réactions d'affinage pour maintenir le niveau de température voulu. Si cependant, une
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partie iwportante; ou la totalité de la charge métallique initiale est froide, on doit d90rdinaire utiliser une source de chaleur externe pour obtenir et
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conserver 19 éta t fondu désiré. Dans ce dernier cas, on peut obtenir la cha-
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leur nécessaire soit électriquement, soit par combustion d'un combustible ap- proprié dans la zone d'affinage, ou avant elle.
Sauf pour des aciers de qualité supérieure et pour d'autres buts spéciaux, il ne s'est pas révélé économique d'utiliser des sources de chaleur électriques dans les procédés d'élaboration de l'acier. Quand on utilise com- me source de chaleur divers combustibles liquides et gazeux, il faut des équi- pements de combustion importants et onéreux pour conserver la chaleur et attein- dre les températures voulues. De plus, ces combustibles contiennent ordinaire- ment des quantités nuisibles de soufre dont une certaine partie peut passer dans l'acier pendant 1-'affinage.
Les procédés d'élaboration connus qui, recourant à la chaleur exo- thermique des réactions d'affinage pour fournir la chaleur nécessaire, utili- sent généralement le passage ou le soufflage d'air- dans un bain d'acier fondu, afin d'oxyder les impuretés; c'est par exemple le cas du procédé Bessemer. De manière générale, ces procédés sont fortement limités par le fait qu'il est difficile-ou impossible d'éliminer le phosphore jusqu'à obtenir des- teneurs faibles,et que-l'on ne peut aisément produire des aciers à bas phosphore.
De plus, l'air qui passe dans le bain de métal introduit dans leader produit des quantités d'azote qui sont excessives pour la plupart des utilisations de cet acier.
L'affinage du fer fondu a pour but d'éliminer, sous la forme de gaz ou de composés formant des laitiers, les impuretés telles que le carbone, le phosphore, le soufre, le-silicium et le- manganèse. Les éléments essentiels sont le carbone;, le phosphore et le soufre, et l'utilisation ou l'intérêt d'un procédé d'élaboration de l'acier est déterminé en grande partie par le point jusqu'auquel il est possible d'éliminer ces trois'éléments essentiels.
On élimine le carbone en le combinant à l'oxygène pour former les oxydes du carbone qui s'échappent de la zone d'affinage sous forme de gaz. On élimi- ne le phosphore en le combinant à l'oxygène puis en faisant réagir l'oxyde produit avec de-la chaux ou un autre oxyde basique analogue,tel que de la -magnésie ou de l'oxyde- de manganèse;, contenu dans le laitier. On élimine es- sentiellement le soufre par réaction avec la chaux ou un autre oxyde basique analogue que contient le laitier. On élimine également le manganèse et le si- licium par oxydation, puis incorporation dans le laitier-des composés obtenus.
On voit donc que-les actions primaires d'affinage sont des oxydations et une formation de laitier; dans des conditions convenables, ces réactions peuvent dégager assez de chaleur pour fournir selle qu'exige le procédé d'affinage.
En Plus des impuretés précitées, on doit citer également l'azote et l'hydrogène car, dans certaines conditions d'élaboration de l'acier, ces éléments peuvent s'y trouver introduits en quantités excessives ou nuisibles.
On reconnaît maintenant que la détermination des quantités d'azote et d'hydro- gènedu produit fini est un facteur important qui détermine le choix du procédé d'élaboration et les utilisations possibles de l'acier terminé.
On ne peut éliminer le phosphore que dans des conditions oxydantes basiques. Ainsi, la majeure partie des procédés d'élaboration utilisés actuel- lament et capables d'éliminer- le phosphore sont les procédés életrique basi- que, Bessemer basique, et Martin Basique-. Cependant, chacun de ces procédés est caractérisé par certaines limitations.
Le traitement au four électrique basique est onéreux; ce four a un taux de production relativement faible, et donne généralement un produit qui contient des quantités relativement importantes d'azote par suite de l'ac- tion de l'arc électrique.
Dans le procédé Bessemer basique usuel, la charge de fer doit con- tenir plus d'environ 1,5 % de phosphore pour dégager assez de. chaleur pour le traitement. De plus, dans ce procédé, on ne peut éliminer efficacement le phos- phore tant que presque tout le carbone n'a pas été aliminé. Il n'est donc pas pratique de produire des aciers durs à basse teneur en phosphore par le procé- dé Bessemer basique classique. En outre, on ne peut généralement pas éliminer le soufre de manière sensible pour le ramener à des teneurs très faibles, et la technique du soufflage donne au produit fini une teneur en azote trop éle-
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vée, ainsi qu'on l'a mentionné.
Bien que l'on obtienne la plus grande partie du tonnage d'acier produit aux Etats-Unis par le procédé Martin basique, ce procédé, présente lui aussi de fortes limitations. Dans ce procéder les vitesses'des réactions sont déterminées en partie par des mécanismes de diffusion dans un système hétéro-
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gène; par suite la vitesse d2Jaffinage et le taux de production sont relative- ment bas.
Le procédé Martin basique classique nécessite un système compliqué de chauffage externe et de régénération pour fondre la charge, mettre en oeu-
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vre les rég,((]tions nécessaires d2faffinage et obtenir une température de coulée satisfaisante Bien que dans- ce procéder on contrôle le taux d'élimination du phosphore, le- fer chargé doit, dans la plupart des cas, avoir une teneur
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en phosphore qui ne dépasse pas environ z4 % pour donner- tous les types d'a- ciers.
De plus on ne peut généralement retirer que des quantités modérées de soufre, et cette élimination du soufre- se-trouve encore compliquée-par le- fait, déjà signalé, qu'un grand nombre des- combustibles utilisés dans le- sys- tème de chauffage externe en contiennent des quantités considérables, ce qui- diminue de façon importante la quantité nette- de soufre retirée-du métal.
Par suite, l'invention a essentiellement pour objet un nouveau procédé d'élaboration de l'acier qui élimine les inconvénients précités des
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procédés connus, et qui est utilisable pour p-roduire aussi bien des- aciers durs que- dès-aciers doux à partir de- fer fondu de- composition très- variable.
Elle a également pour objet un nouveau procédé d'élaboration de l'acier capable de fournir à un prix inférieur, un acier ayant les caractéris- tiques générales- de l'acier Martino
Elle vise encore à un procédé d'élaboration de l'acier permettant d'affiner du fer à teneur en phosphore relativement élevée pour donner un acier à faible teneur en phosphore tout en évitant l'introduction dans cet acier de'
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quantités- excessives- d' azote-.
Elle a trait aussi à un procédé d'élaboration de 1-lacier permet- tant de produire un acier à bas phosphore et haute teneur en carbone à partir de fer fondu ayant une teneur en phosphore élevée ou basse.
Elle est relative également à un procédé nouveau dans lequel pres- que touts-la chaleur-nécessitée-pour sa mise en oeuvre provient de la chaleur
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exothermique de réaction-produite pendant les- étapes- d"-ai'finage- et dans lequel on- évite- d-introduîre de l'azote dans l'aciera Elle a encore pour objet un procédé nouveau d'élaborationicarac- térisé par la production rapide d'un laitier basique fortement oxydé presque au début de la période d!1affi#geo
L'invention vise en outre un procédé d'élaboration dans lequel le soufre est éliminé plus efficacement, et jusque un taux plus faible, que dans les procédés connus d'oxydation basique.
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Elle a de plus pour objet un procédé deélaboration de l'acier dans lequel il n'est besoin d'aucune source extérieure de chaleur pour affiner le métal, la chaleur nécessaire étant fournie par les réactions- exothermiques d'af- finage, et dans lequel on peut décrasser une-ou plusieurs fois.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lec- ture de la description détaillée ci-dessous faite en relation avec le dessin annexée sur lequel
La figure 1 est une coupe schématique faite par 1-1 de la figure 2 et montrant les caractéristiques générales d'un type d'appareillage convenant à la mise en oeuvre- de .l'invention;-
La figure 2 montre en plan l'appareil-de la figure l; et la figure 3 est un graphique donnant certaines valeurs expérimen- tales et montrant l'importance et la valeur de l'élimination des impuretés au cours du traitement.
En se référant au dessin, on voit que le procédé conforme à l'in-
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vention peut être mis en oeuvre dans une zone de réaction ou d9affinage limitée
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par un récipient 10, de forme générale élliptique, ayant à sa partie supérieu- re, dans la voûte, une ouverture 11 et susceptible de basculer autour de deux supports arrondis ou basculeurs 12, coopérant avec des galets ou des organes du même genre. Le-récipient 10, qui peut être en acier-, comporte à sa partie inférieure un revêtement réfractaire basique 13, formant une seule masse et constitué par exemple de dolomite, de magnésie ou d'un autre produit similaire calciné. La partie supérieure du récipient 10 est revêtue de briques réfrac- taires, indiquées en 13', ces briques pouvant être basiques ou acides.
Sur un des flancs du récipient se trouve un trou de coulée 14 qui permet d'élimi- ner le laitier au cours de l'élaboration, et sur le flanc opposé est prévue une porte de chargement 15. Bien qu'on n'ait représenté sur le dessin qu'une seule ouverture pour retirer le laitier, il est bien évident qu'on pourrait en prévoir plusieurs si on le désirait. On peut utiliser une source auxiliai- re de chaleur extérieure, telle que deux brûleurs 16, pour maintenir la tempé- rature des réfractaires entre- des chauffes successives et pour réparer ces ré-- fractaires.
On a représenté sur la,figure 1 le récipient d'affinage 10 conte- nant une charge ou'bain de métal fondu 17, surmontée d'une couche de laitier 18, la ligne de séparation entre le métal fondu et le laitier étant indiqué schématiquement par la ligne 19 en traits interrompus. Il apparaîtra à la lec- ture de l'étude faite ci-dessous de la mise en oeuvre- du procédé que dans les conditions réelles de traitement,,le bain de métal peut être turbulent ou agité, de sorte que les phases de métal et de laitier ne se séparent pas en couches distinctes. Dans un but que l'on indiquera plus loin, la partie supérieure du récipient d'affinage 10 comporte plusieurs tuyères réglables 20, qui traversent les parois du récipient et pénètrent dans la zone d'affinage.
L'extrémité ex- térieure de chacune des tuyères 20 est reliée., par un raccord ou autre dispo- sitif approprié, à un tuyau flexible 21, couniquat avec une source d'oxygè- ne sous pression. Chacune des tuyères est organisée de. façon qu'on pusse ré- gler sa position ainsi que la longueur dont elle pénètre dans le récipient 10 suivant le niveau de liquide que contient ce récipient.
Il est bien entendu que les figures 1 et 2 ne sont qu'une repré- sentation schématique des caractéristiques générales d'un appareil propre à la mise en oeuvre du procédé d'élaboration de l'acier conforme à l'invention.
En d'autres termes, le dessin a uniquement pour but de faciliter la compré- hension des étapes du procédé et des principes mis en oeuvre, et ne signifie nullement que la forme et l'organisation particulières représentées consti- tuent la seule réalisation industrielle convenable. Ainsi qu'on le- verra dans la description détaillée qui suit du procédé, un appareil convenant à sa mise en oeuvre doit comporter les- caractéristiques générales représentées sur le dessin ou des caractéristiques équivalentes.
Le récipient de réaction ou d'af- finage doit par exemple comporter-un revêtement réfractaire basique,une ouver- ture d'évacuation des fumées et gaz, un dispositif permettant d'introduire de l'oxygène dans le bain liquide,des orifices d'évacuation du laitier et du métal terminé et,de préférence, un dispositif de basculement du récipient fa- cilitant cette évacuation.
Dans la mise en oeuvre du procédé, on peut introduire dans le ré- cipient 10, par la porte 15, de la fonte fondue ainsi qu'une matière formant un laitier basique.. matière telle que du calcaire et une-matière contenant de l'oxyde de fer, comme- du minerai de- fer, du travertin ou des battitures. de laminage.
On peut charger le calcaire et la matière contenant l'oxyde de fer avec le métal liquide, ou immédiatementaprès, mais on préfère les introduire d'abord dans la zone d'affinage à le-état solide, puis verser le fer fondu sur ces matières solides afin de faciliter le mélange et la répartition des réac- tifs et de hâter les réactions d'affinage, Bien qu'on préfère utiliser du cal- caire ou carbonate de chaux comme matière de formation d'un laitier basique, on peut utiliser également d'autres oxydes-basiques ou substances susceptibles d'en dégager, par exemple de la magnésie, de l'oxyde de manganèse ou des lai- tiers complexes préparés.
Pour éviter un refroidissement excessif du fer fon- du chargé, il est désirable de chauffer préalablement le revêtement réfractai- re 13 à une température élevée, à l'aide des brûleurs 16, ou de charger le récipient pendant qu'il est encore chaud d'une opération précédente.
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Immédiatement après avoir chargé le récipient 10 de métal fondu, on introduit, par les tuyères 20, un gaz oxydant ayant une concentration rela- tivement élevée en oxygène libre. On règle les positions des tuyères 20 (au- tant que le permettent les conditions de fonctionnement et les caractéristiques de réalisation) de manière que l'oxygène libre vienne en contact direct avec
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le métal fond'à, afin de transférer rapidement l'oxygène à ce métal. Dans la plupart des cas, il est préférable que les extrémités de sortie-des tuyères pénètrent aumcou d la surface du laitier contenu dans la zone d'affinage, afin d'iujt l'oxygène libre à la surface de la couche de métal ou près de cette- surface.
Cependant, on envisage également de plaoer =Les extrémités des tuyères légèrement au-dessus' de la surface du laitier qui se trouve dans la
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zone d'affinage, la distance- des tuyères à cette surface étant telle que le jet de gaz oxydant qui passe par les tuyères chasse ou repousse la couche de laitier qui surnage, de sorte que l'oxygène libre vienne en contact direct avec le métal.
Bien que l'on préfère utiliser de l'oxygène libre non diluée tel qu'il existe dans le commerce, le fait d'utiliser de l'oxygène dilué par des
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gaz tels que l'air ou des gaz inertae ne s'écarte pas du domaine de l'invention, Dans ce dernier-cas, on préfère que le courant de- gaz oxydant ait une concen- traion relativement élevée en oxygène libre, cette expression de "gaz à haute teneur en oxygène" utilisée par la suite signifiant un gaz dont la teneur en oxygène est supérieure à la teneur normale en oxygène de l'air, c'est-à-dire supérieure à environ 21 % en volume.
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Une caractéristique importante â.e l'invention réside dans le fait que la chaleur nécessaire à l'affinage est fournie presque entièrement par la chaleur exothermique de réaction dégagée pendant l'affinage du fer fondu." Du fait que, dans la mise en oeuvre, du procédé, on n'envisage pas une source ex- térieure de chaleur dans les opérations d'affinage, il est important que l'in- troduction d'oxygène dans la zone d'affinage se fasse aussitôt que possible après chargement du récipient, afin de maintenir le niveau de température né- cessaire .
Quand le contact s'établit entre le fer fondu et l'oxygène libre
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ou l'oxygène de leoxyde de fer chargé initialement sous forme de matière pre- mière, une grande partie du silicium,' du manganèse et du. phosphore du fer s'oxy- de en formant les oxydes correspondants, avant que le carbone ne s'oxyde sensi- blement. Les oxydes de- silicium;, de manganèse, de phosphore et de fer, ainsi que la chaux provenant du carbonate de chaux chargé s'incorporent ainsi à un laitier oxydé qui contient la plus. grande partie du-phosphore, et presque tout le silicium et le manganèse-.
Si on le désire, on peut décrasser la plus gran- de partie du laitier à ce moment, de préférence en penchant le récipient 10 pour faire sortir le- laitier par le trou de coulée 1.
Un des importants aspects nouveaux du procédé réside dans la fon- mation du laitier. Dans le procédé Martin basique connu., le laitier initial formé pendant la fusion a une. forte teneur en- oxyde de fer et peut donc être assez corrosif pour la dolomite ou la magnésie calcinées des piédroits et de
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la sole du foura et il en résulte que 1 'oxyde de calcium et l'oxyde de- llIagné=' sium des réfractaires peuvent se dissoudre. Dans la chauffe habituelle- au
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four Martin- et dans le procédé classique- utilisant des mitrailles et du métal très chaud, aucune quantité appréciable de carbonate de chaux ne passe- dans la couche de laitier tant que- la plus grande partie de-la mitraille- chargée
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n'est pas fondue, et la période à"'ébullition" de la chaux est négligeable,
Il est donc évident que la dissolution de la chaux dans le laitier formé après addition du métal chaud est retardée considérablement par la durée que néces- site la fusion complète de la charge- de-mitraille. De plus, on a constaté que dans le traitement classique au four Martin basique, les loupes de carbonate de- chaux partiellement calciné qui passent dans le premier laitier tendent à
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ve reiOuvril" d'1m coquille protectrice dure, composée essentiellement de- sili- caste bicalsique.
Ce revêtement réfractaire retarde la-dissolution du carbona- te de chaux dans le laitier et évite également la pénétration rapide des consti- tuants du laitier fondant dans les loupes de carbonate de chaux, Il en résul-
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té que la- chaux se dissout relativement lentement- dans les laitiers initiaux
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Martin pour en constituer un élément actif. En général, il ne se produit pas de dissolution appréciable de chaux avant les additions dans le four de spath- fluor et de minerai. Il semble que ces additions aient un effet adoucissant ou dissolvant sur les loupes de carbonates de chaux, lesquelles disparaissent finalement dans un laitier lourd spongieux et modérément basique.
Dans le procédé conforme à la présente invention, une proportion . importante du calcaire chargé passe presque immédiatement à la surface du mé- tal fondu. Au début,ce carbonate est en grande partie non calciné et les cons- tituants du laitier ne le pénètrent pas,,,le laitier initial étant formé par les oxydes de silicium, de manganèse et de phosphore qui se sont produits comme on l'a indiqué, ainsi que par de l'oxyde de fer et de la chaux. Cependant, par opposition marquée avec le procédé Martin classique, l'oxygène gazeux in- troduit dans le bain donne localement une haute température-locale et une at- mosphère fortement oxydante; par suite, le carbonate de chaux se calcine rapi- dement et la chaux produite se dissout rapidement dans le laitier.
Il est fa- cile de régler la quantité de chaux dissoute au début du trai-tement en chargeant des quantités contrôlées de carbonate de chaux. De la sorte,on peut également régler la fluidité du laitier initial, ainsi que sa teneur en phosphore.
En métallurgie, on exprime ordinairement la basicité de la masse fluide de laitier par un rapport (que l'on désigne généralement par rapport ou valeur V) de la chaux à la silice. Quand ce rapport dépasse un certain niveau plus ou moins critique et généralement voisin de 2, le soufre s'élimi- ne et le phosphore du laitier tend moins à repasser dans l'acier. Par suite, une caractéristique importante du procédé conforme à l'invention réside dans le fait que ce procédé permet de former rapidement un-laitier dont le rapport en poids de la chaux à la silice soit au moins environ 1,,5 et+ de préférence, au moins à peu près 2.
Dans le procédé Martin basique usuel, il n'est généra- lement pas possible d'obtenir un laitier avant ce degré de-basicité, avant qu'u- ne quantité appréciable de carbone se soit éliminée, par exemple avant que- la teneur en carbone du métal ait diminué jusqu'à moins d'environ l,25%. Dans le procédé conforme à l'invention, d'autre part, il est possible de faire pas- ser rapidement une quantité appréciable de phosphore dans le laitier.
De plus, on peut obtenir, avant que la teneur en carbone du métal atteigne une valeur faible, par exemple avant que cette teneur devienne inférieure à 1% et, la plu- part du temps, à 2%, un laitier assbasique pour que toutle phosphore élimi- né se trouve retenu pendant tout l'état .-d'équilibre de la période- d'affinage.
De la sorte, on réduit le passage dans le métal du phosphore contenu dans le- laitier. De manière générale, le procédé conforme à la présenteinvention per- met d'obtenir facilement un laitier dont le rapport de la chaux à la silice soit d'au moins environ 1,5 tandis que la teneur en carbone du bain de métal est sensiblement supérieure à environ-l%; on obtient de préférence un rapport de la chaux à la silice qui est d'au moins à peu près 2, alors que la teneur en carbone du métal est sensiblement supérieure à environ- 2 %.
On voit ainsi que le procédé est caractérisé par la formation ra- pide d'un laitier fortement basique et fortement oxydé dès le début de la pé- riode d'affinage, alors quel la teneur en carbone est encore relativement éle- vés. On peut attribuer la formation rapide de ce laitier (1) au fait que le car- bonate de chaux peut passer plus vite dans la phase laitier, par suite de l'ef- fet de mélange physique et de turbulence créé dans le bain par l'introduction du gaz oxygéné passant par les tuyères, et (2) à la vitesse de dissolution plus rapide de la chaux dans la phase laitier,. par suite des hautes températures lo- cales et de l'atmosphère fortement oxydante produites par le contact direct de l'oxygène libre avec le métal, ainsi qu'on l'a indiqué.
De plus, les effets mécaniques combinés de la turbulence du -bain et des hautes températures loca- les tendent à réduire la formation de la coquille de silicatebicalcique préci- tée autour des morceaux de calcaire et à en éviter-les effets nuisibles, ce qui facilite encore la dissolution rapide-de- la chaux dans la phase- laitier.
Cette formation rapide d'un laitier fortement basique et forte- ment oxydé produit plusieurs résultats très importants. En premier lieu, ce laitier basique fortement oxydé élimine et retient presque tout le phosphore alors que la teneur en carbone du métal est encore relativement élevée. Par
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exemple, et ainsi qu'on le verra plus loin dans un exemple particulière on peut éliminer le phosphore de manière efficace jusque une valeur très faible tandis que la teneur en carbone du métal est sensiblement supérieure à 2%. Dans le -procédé Martin basique classique, il faut plus longtemps- pour obtenir un lai- tier dont la basicité soit assez grande pour qu'il retienne le phosphore éli- minée parce que la chaux se dissout beaucoup plus lentement dans le laitier.
Il est, par suite, pénible et parfois difficile de produire un acier dur à bas phosphore par le procédé Martin basique. Un autre résultat important de la formation rapide du laitier basique réside dans le taux extraordinairement é- levé d'élimination du soufre par rapport au procédé Martin basique classique.
Cette formation rapide donne encore un autre avantage, qui est la forte rédue- tion de Inaction corrosive sur le revêtement réfractaire du récipient daffi- nage. Après addition du fer fondu, il se forme, dans le procédé Martin clas- sique, un premier laitier contenant beaucoup de silice et attaquant donc le revêtement basique. Par suite, dans ce procédé classique, un premier laitier acide reste assez longtemps en contact avec le revêtement réfractaire du réci- pient. Dans le procédé conforme à l'invention, la formation rapide du laitier basique évite-cette cause d'action corrosive sur le revêtement réfractaire.
La plus grande.partie du phosphore et presque tout le silicium et le manganèse ayant été éliminés par formation du laitier basique précitée
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on continue à introduire de l'oxygène par les tuyères, jusqueà ce- que la te- neur en carbone du métal atteigne la valeur désirée-. Les oxyder gazeux qui se forment pendant l'élimination du carbone s'échappent par l' ouvtua a- li. de la voûte., rendant l'oxydation du carbone, on peut charger dans le récipient de. nouvelles quantités de-carbonate de chaux, si on le désire, afin de facili-
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ter l.9élimition du soufre et d'uns partie du phosphore résiduel.
Par suite de la dissolution rapide de la chaux en présence doxygène- ainsi qu'on 1-'a indiqué précédemment, il. se produit entre la chaux et lé soufre une réaction
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relativement rapide-, L'absence de- soufre dans l'atmosphère de-la zone d'affinage favorise cette élimination du soufre. De plus, le contact direct de 11loxy= gène à forte concentration avec le- fer fondu sulfureux permet, au soufre- de s'éliminer par oxydation direct,-, donnant de l'anhydride sulfureux, qui s'échappe avec les gaz du four-.
Quand on a ertteinbla teneur- voulue en earbone, les réactions à'af- finage, qui comprennent l'élimination du soufre.,du silicium, du phosphore et du carbone, se sont effectuées jusque aux teneurs désirées et on obtient une tempéra tore convenant à la coulée. On peut alors enlever l'acier fondu en le-
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coulant par un orifice d'évacuation, tel que le trou de coulée llo Avant cet enlè-vement3 on peut régler, si on. le désire,, la composition du métal à l'aide d'additions faites suivant des techniques bien-connues.
Dans la plupart des cas, on retire un seul laitier phosphoreux
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dans une étape intermédiaire du processus d-affinage. Bien entendu, à la fin de l'affinage, on retire généralement un laitier de @oulée-a-u moment où l'on retire- l'acier- fini du récipient. Cependant,-,, une- autre caractéristique impor-
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tante de- l'invention réside dans le fait que,, au cas où la teneur emphospho- re des matières premières est plus élevée que la normale" -on peut retirer un ou plusieurs laitiers phosphore=, afin d'asswer l'élimina tio11- du phosphore pour donner une- teneur faible.
A ce sujet. il est souvent désirable dJ1ajou= ter de-nouvelles quantités de carbonate de chaux dans le récipient quand on désire décrasser plus d'une fois- au cours de-l J1affinage" Dans certaines conài%iops, on peut charger des mitrailles d'a-- cier avant le fer fondtr. Une fois que l'affinage est en train, on peut ajou- ter d'autres mitrailles d'acier, en quantités- déterminées par la température
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du métal liquide. En d9autres termes, on peut ajouter des nàltrailles-d9a##n quand la température du bain est assez élevée pour compenser le refroidisse- ment provoqué-par ces mitrailles.
On peut encore déterminer. la -quantité de mitrailles à ajouter en réglant la quantité d'oxygène que contient le gaz oxy- géné introduit dans la zone d'affinage. Un-nouvel avantage du procéder rela- tif aux matières premières utilisables, est que l'on peut utiliser des propor- tions fortement variables de minerai de fer ou autre Entière contenant de 1-'oxyde de fer,
ce qui permet- de- réduire directement le minerai et de récupé- rer directement le fer métallique- sous forme d'acier utilisable
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D'autres avantages du procédé décrit ci-dessus résident dans sa capacité d'éliminer de façon efficace de grandes quantités de phosphore et de soufre. Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, le procédé Martin basique clas- sique est limité quant à la quantité de phosphore qui peut être éliminée dans les conditions les meilleures; 'par conséquente pour élaborer tous les types d'acier dans le four Martin, il faut que la teneur en phosphore de la fonte soit inférieure à environ 0,4%.
Le procédé Bessemer basique permet d'éliminer des quantités considérables de phosphore mais il demande une charge fortement phosphoreuse et -!l'élimine pas le phosphore jusqu'à une teneur faible (par exem- ple inférieure à 0,020%), parce que, dans les conditions du traitement, il ne s'élimina pas de quantités appréciables de phosphore pendant que la teneur en carbone du métal est élevée, par exemple supérieure à 0,15% . Dans les condi- tions requises pour une élimination acceptable du phosphore, le métal absorbe également une quantité considérable d'azote pendant le-soufflage.
Grâce à la présente invention, on peut affimer des fontes ayant des teneurs en phosphore très variables et obtenir un produit'dont les teneurs en phosphore et en-azote sont bien inférieures à celles que l'on obtient généralement par le procédé Bessemer basique, ce produit étant généralement supérieur à celui que l'on ob- tient par le procédé Martin basique classique.
Un avantage supplémentaire du procédé réside dans le fait que le gaz oxydant introduit dans la zone d'affinage peut être-pratiquement exempt d'humidité ou de substances capables de fournir de l'hydrogène au métal fondu.
La valeur du procédé peut être donc encore accrue par la teneur- en hydrogène relativement faible du produit.
L'invention présente encore l'avantage totalement inattendu qu'il permet de ramener la teneur en soufre à un taux beaucoup plus bas qu'il n'était possible antérieurement-dans les procédés basiques classiques par oxydation.
Par exemple, le- soufre est élimine jusqu'à un certain point dans les ¯procédés Martin basique et Bessemer basique mais sa teneur dans le produit fini est ra- rement inférieue à 0,25%. Au contraire, le procédé conforme à la présente invention permet d'obtenir de l'acier à soufre très bas, par exemple de l'or- dre de 0,02% ou moins.
On attribue cette élimination remarquable du soufre à plusieurs facteurs. En premier lieu, l'absence de système de chauffage externe pour four- nir la chaleur nécessaire à l'affinage-par combustion d'un combustible sufureux évite l'introduction dans l'acier de soufre provenant de- cette source. De plus, le contact direct du bain de métal avec des gaz-à forte concentration en oxygène augmente fortement les chances qu'a le soufre de ce métal de s'oxy- der directement en formant des oxydes gazeux qui peuvent s'échapper par l'ou- verture pratiquée dans la voûte du récipient d'affinage.
Etant donné que la pression partielle du .soufre ou des gaz sulfureux contenus dans- l'atmosphère au-dessus de la zone d'affinage .est très faible ou négligeable, la tendance à oxydation directe du¯soufre se- trouve facilitée-. Le facteur le plus impor- tant pour l'excellente élimination du soufre dans la mise en oeuvre du pro- cédé est peut être le fait que, ainsi qu'on l'a étudié ci-dessus, un laitier basique se forme rapidement dans la zone d'affinage par suite de l'introduc- tion d'oxygène gazeux qui donne localement des- températures de réaction éle- vées, lesquelles facilitent la dissolution rapide de la chaux dans le laitier.
Une autre caractéristique importante du procédé est que, pendant l'affinage, on peut décrasser plue=d'une fois,-si on le désire. Comme on l'a montré sur le dessin, le- récipient d'affinage utilisé- pour- mettre- en-oeuvre le procédé peut de préférence basculer pour faciliter le décrassage. Etant donné la facilité avec laquelle on peut effectuer ce décrassage, il est inuti- le de compter sur l'action vigoureuse d'ébullition apparente 'du bain pour chas- ser le laitier initial de la zone d'affinage. Quand la teneur en phosphore de la charge initiale de fer est basse, il est possible d'obtenir un produit satisfaisant sans décrassage intermédiaire.
Quand la teneur en phosphore du fer initial est modérée, il suffit généralement de décrasser une seule- fois à une étape intermédiaire du traitement pour obtenir un produit à bas phospho- re. Mais on peut traiter également avec facilité des charges de fer trks phos- phoreux , dans ce cas, on retirera deux laitiers-phosphoreux ou plus pour assu-
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rer l'élimination voulue du phosphore. De plus,la formation et 1 enlèvement de plus d'un laitier basique accroissent l'élimination du soufre hors du métal liquide.
On détermine la température de traitement en réglant le taux d'ad- mission d'oxygène et également en réglant la teneur en oxygène des gaz intro- duits par les tuyères ou autres organes d'injection. La quantité d'oxygène ainsi introduite doit suffire à oxyder les diverses impuretés pour les élimi- ner au degré voulu, et à produire la chaleur nécessaire pendant 1-'affinage.
On peut en outre régler la température en ajoutant des mitrailles, sommer on l'a indiqué précédemment, et également en ajoutant du minerai de fera L'ad- dition périodique de carbonate de- chaux a évidemment, une action sur l tempé- rature, mais on fait ces additions dans des buts autres- que-le contrôle de la température
Puisqu'on introduit le gaz oxydant sur la surface du bain de mé- tal, ou près de cette surface, on diminue les risques d'introduire dans l'acier des quantités excessives- d'azote, même quand on utilise de l'oxygène dilué dans l'air, parce que l'acier- est moins- susceptible d'absorber l'azote.
Le procédé présente, donc un net avantage sur le traitement Bessemer classique, De plus, les réactions sont rapides- par suite de la turbulence- produite dans le bain de métal, ce qui augmente la vitesse de production,au contraire du procédé Martin classique, dans lequel les vitesses de réaction et- de production sont relativement faibles par suite- du temps qu'il faut pour faire passer la cha- leur et les réactifs dans le système hétérogène laitier-métal-gaz de la zone d'affinage,
On envisage également,conformément à l'invention, d'introduire du minerai de fer et/ou du carbonate de chaux pulvérulents en suspension dans le gaz oxygéné qui alimente les tuyères. o Ce mode d'introduction du.
minerai de fer ou du carbonate de-chaux permet à ces substances de se mélanger rapi- dement et de façon intime au métal fondu, ce qui augmente encore les vitesses des réactions d'affinage. Dans le procédé Martin classique, il s'est révélé parfois nécessaire. d'agglomérer, normalement par frittage, le minerai-de. fer ou les- concentrés du minerai de fer qui existent souvent sous-forme finement divisée, avant de les introduire dans le four. Cependant, en introduisant le minerai de fer sous forme pulvérulente ou très fine en suspension dans le gaz oxygénée- on peut éviter les opérations d'agglomération ou de frittage, ce-qui donne, des économies appréciables.
Cette caractéristique du procédé permet donc de transformer directement le fer contenu dans un minerai ou autre sub- stance ferreuse finement divisée en un acier utilisable. Quand on introduit le carbonate de chaux en suspension dans le gaz.. oxygéné fourni au bain, on accroît encore la vitesse de dissolution de la chaux dans la- phase laitier, ce qui aide encore à créer rapidement un-laitier basique fortement oxydé au début du traitement. De plusl'introduction de-minerai de fer ou de car- bonate de chaux sous forme pulvérulente, de la manière précitée, donne un autre moyen pour contrôler la température du-bain.
A titre d'illustration des résultats que l'on peut obtenir par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, on présente maintenant des ré- sultats expérimentaux, étant bien entendu, toutefois, que-les données sont in= diquées uniquement dans un but d'exemples et ne-constituent en aucune façon des limitations
On a utilisé un creuset de magnésie de 100 livres, ayant la com- position chimique suivante; MgO 88,1 %; SiO2 5%; R2O3 3,8 %; CaO 3,1% (R désignant ici des radicaux trivalents, tels que l'aluminium, le-bore, etc... ).
Après chauffage préalable, on a chargé le creuset avec 2 livres de morceaux, gros de 1 pouce, de calcaire préchauffé à 480 C. On a recouvert ce calcaire par 3 livres de-minerai de fer fritté, préchauffé à 925 C, et on a recouvert la couche de minerai par 3 livres de battitures préchauffées à 925 C. Puis on a versé dans-le four 50 livres de fonte fondue-ayant-une tem- pérature d'environ 1430 C
Dès que la fonte a été ajoutée, on a commencé à introduire, sous
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la surface du bain de métal, de l'oxygène non dilué, grâce à,une tuyère de 1/8 pouce environ, et on a continué cette introduction d'oxygène de manière sensi- blement continue pendant toute la chauffe., sauf de courtes interruptions pendant le prélèvement d'éprouvettes,
le décrassage et le remplacement de la tuyère.
La pression de L'oxygène était à la source de 20 livres/pouce carré et son dé- bit était d'environ 5 pieds cubes/minute. Le traitement a duré en tout envi- ron trente et une minute et on a fourni en tout environ 100 pieds cubes d'o- xygène. A deux moments, pendant la première moitié de la chauffe, on a retiré un laitier qui affleurait et chaque fais, on a ajouté peu après 2 livres de calcaire. De plus., on a prélevé des éprouvettes du bain métallique, pour ana- lyse, au début du traitement et à des intervalles de temps sensiblement égaux pendant la chauffe.
On se référera à la figure 3, sur laquelle on a indiqué, par un graphique, les modifications chimiques qui se sont produites dans le métal.
Dans ce graphique, l'axe des x représente le temps en minutes s'écoulant après addition du métal fondu. Les ordonnées y, y' et y" repré- sentent respectivement le pourcentage de soufre, le pourcentage de phosphore et le pourcentage de carbone,, manganèse et silicium. a et a' désignent les affleurements et b et b', les charges ou additions (2 livres chaque fois) c indique la coulée.
Un résultat fortementinattendu et extrêmement important réside dans le pourcentage extraordinairement élevé de soufre éliminé pendant la chauffe. D'une teneur initiale de 0,034 %, le soufre a été réduit à 0,014% dans le bain final.
De plus, l'acier avait une teneur en azote d'environ 0,002%. ce qui est une valeur extrêmement faible, -même pour un acier Martin classique.
Les courbes de la figure 3 montrent clairement que le procédé conforme à l'invention permet de réduire à une valeur faible la teneur en phos- phore, tandis que la teneur en carbone du métal est encore très élevée. El- les montrent également la supériorité écrasante du procédé sur le procédé Mar- tin classique pour éliminer rapidement le soufre. Ainsi qu'on l'a expliqué précédemment, on pense pouvoir attribuer cette élimination rapide et efficace du soufre- à la dissolution extrêmement rapide de la chaux- dans la phase lai- tier, au maintien d'une-atmosphère pratiquement exempte de soufre et également au maintien de conditions provoquant l'oxydation directe du soufre per l'oxy- gène libre.
Une analyse attentive des températures pendant le traitement a montré que, sans aucun doute, l'oxygène utilisé donne une température nette- ment supérieure-à celle qui est nécessaire pour-mettre en oeuvre le procédé.
La température du métaL s'est élevée depuis 1430 C jusqu'à une-température de coulée de l.650 C environ pourl'acier terminé. Par suite, le procédé con- vient bien à l'utilisation de quantités appréciables de mitraille ou de-mine- rai de fer, De plus-, on peut contrôler encore la température par dilution ' et par réglage du courant de- gaz oxygéné.
A la fin du traitement, on a examiné le creuset et on a consta- té qu'il n'était pratiquement pas attaqué.