<Desc/Clms Page number 1>
PROCEDE POUR L'AUTO-EPURATION DU FER ET DE L'ACIER A LA COULEE.
Il a été admis jusqu'ici, d'une manière très générale, que le contact de l'air avec du fer ou de l'acier pendant leur écoulement était défavorable à la qualité des produits On admettait que l'oxygène de l'air oxydait superficiellement le métal s'écoulant à l'état fondu et que de ce fait le métal absorbait de l'oxygène. Par suite, ce ne sont pas les propo- sitions qui ont manqué pour par exemple diminuer ou même supprimer complè- tement le contact de la coulée avec l'air qu'il s'agisse d'une vidange par trou de coulée ou d'une vidange par déversement.
On a déjà réalisé la rigo- le de coulée sous forme de tunnel et cherché à supprimer autant que possible le contact avec l'air par adduction de gaz. Entre la poche de coulée et le moule on a intercalé des réservoirs., dans lesquels on faisait passer,à contre courant par rapport à la coulée., des gas réducteurs.
On a également déjà proposé d'employer une nappe protectrice de gaz autour du jet de coulée, pour entourer complètement le métal dans son trajet depuis la poche de coulée jusqu'au moule et rendre ainsi impossible le contact avec l'air.
Il est de plus admis que l'oxydation par l'air du métal de cou- lée est d'autant plus considérable que l'acier s'écoule plus lentement du four ou de la poche de coulée et que la surface exposée à l'air est plus grande. Gn considérait par suite comme indiqué d'avoir un court trajet jus- qu'à la poche ou jusqu'au moule et de pratiquer un gros trou de coulée. Dans les cas où il n'est pas ou peu à craindre de réactions nuisibles, par é- change entre l'acier et le laitier, on admettait comme favorable d'avoir une couche protectrice de laitier au moins à la surface du large flux de métal s'écoulant du four, ainsi qu'on le voit pratiquer dans les opérations de coulée des fours électriques.
A l'encontre de ce qui précède;, la présente invention part de la constatation que l'oxydation par l'air, et surtout Inaction nuisible du
<Desc/Clms Page number 2>
contact avec l'air pendant la coulée a été surévaluée. On continuera ci- après à désigner par coulée, aussi bien la vidange par trou de coulée que la vidange par déversement. Si l'on considère en particulier la coulée au point de vue hydrodynamique, on est bien forcé de constater que chaque particule du métal de coulée ne peut venir au contact de l'air que pour des fractions de seconde.
Si l'on vide une lingotière Thomas de 30 tonnes en 3/4 de mi- nute, comme il est de pratique courante, et si l'on admet une hauteur moyen- ne de chute de 1 m 20 pour le jet, chaque particule d'acier ne reste exposée à l'air, à la surface du jet, que pendant environ une demi seconde, Les conditions hydrodynamiques sont analogues dans les opérations de coulée des fours Siemens-Martin ou des fours électriques.
A la coulée d'une poche, la vitesse d'écoulement est fonction du niveau du niveau du métal fondu dans la poche. Il n'est pas rare que les particules ne restent exposées à l'air qu'un quart de seconde jusqu'à ce qu'elles aillent se mélanger à l'acier contenu dans le moule, et le plus souvent avec des tourbillonnements assez violents. Mais il y a encore une constatation importante que l'on peut faire à cette occasion; on peut pres- que toujours observer, au-dessus du métal en fusion, une couche plus ou moins épaisse de gaz en ignition. Dans le cas de la fonte, on observe sou- vent, à la coulée une couche d'hydrogène en combustion. Dans le cas d'un flux d'acier fondu, on observe de même, en général, une couche de gaz en ig- nition,constituée par des flammes claires d'hydrogène et d'oxyde de car- bone.
On peut faire les mêmes observations à la surface libre du métal fon- du dans les poches de coulée ou dans les moules.
On peut donc admettre qu'il y a une certaine relation, d'une part, entre la courte exposition du jet de métal à l'air et d'autre part, l'apparition de gaz en ignition à la surface. Le moins''que l'on puisse dire, c'est que les deux constatations sont d'une importance symptomatique pour, ce qui se passe quand un flux de métal traverse l'air. En fait, au cours d'essais systématiques de coulées en usine avec une surface d'exposi- tion à l'air anormalement grande et une durée de contact exagérément propon- gée, l'oxydation par l'air n'a pas été pratiquement mise en évidence. Par contre on a provoqué le dégasage de l'acier.
L'objet\'de l'invention consiste à mettre utilement en oeuvre, à effet métallurgique, la traversée de l'air par le flux de métal en fusion.
En métallurgie, on sait d'une manière générale que la solubilité des gaz dans le métal décroît avec la température. On sait de même que la chute de température du métal paarayonnement croît avec la surface rayonnante. Mais ce que l'on n'a pas su jusqu'ici, c'est que l'on pouvait, dans les opérations de coulée, utiliser ces faits et les valoriser au point de vue métallurgique, pratiquement sous la forme d'un dégasage non accompagné d'oxydation ou d'ab- sorption nuisible de gaz. Selon la présente invention, cela est rendu pos- sible en coulant le métal sous une surface aussi grande que possible et en réglant la durée d'exposition du flux à l'air.
L'invention se distingue par suite du procédé connu qui consiste à laisser couler un large flux de fer et de laitier pour obtenir une bonne réaction entre les deux éléments, puisque dans, le présent procédé il n'y a pas de laitier à la surface du flux et que c'est le fer lui-même qui peut réagir directement avec l'air ambiant.
A côté de la tendance au dégagement, par effet du refroidisse- ment, des gaz solubles dans le métal, tels que l'azote et l'hydrogène, on peut, dans une certaine mesure, utiliser le dégagement des gaz de réaction. C'est ainsi par exemple que dans l'acier non encore calmé se trouve un pouvoir ré- actionnel qui lui est propre. La plus importante des réactions qui en proviennent est la transformation correspondant à l'équation
EMI2.1
qui est connue sous le nom de réduction.
Si le départ de l'oxyde de carbone demande techniquement un certain temps., cela est dû à l'adduction et à l'abduction des composants réactionnels et respectivement des produits de 'la réaction. Au point de vue chimique., il se produit immédiatement.
<Desc/Clms Page number 3>
L'augmentation de la surface exposée à l'air pendant la coulée, c'est-à-dire la diminution ou l'élargissement de la section n'est pas autre chose, au point de vue physique, qu'une diminution des pressions hydrosta- tiques qui s'opposent au dégagement des gaz. Dans l'écoulementà grande surface, le dégagement des gaz solubles et des gaz de réaction se trouve no- tablement facilité. Ce dégagement est même si important qu'il empêche une oxydation on une absorption de gaz qui seraient simultanées.
Chaque réaction est la plus forte au moment ou elle se produit.
Dans la mesure où l'adduction des composants de la réaction dans la zône de réaction considérée se ralentit, elle décroit dans le temps. On ne peut donc pas sans danger laisser le jet exposé à l'air autant de temps que l' on voudrait, car., au bout d'un certain temps, la protection due au dégage- ment gazeux cesse et l'attaque nuisible par l'air peut se produire.
L'arrivée à ce stade dépend de divers facteurs. La température de l'acier, sa teneur en oxyde et en gaz, et en particulier les conditions hydrodynamiques de l'écoulement ont leur importance. Particulièrement im- portante est la mesure dans laquelle l'acier possède encore son pouvoir réactionnel propre, notamment la mesure dans laquelle il est, ou non, calmé. Dans la mise en oeuvre du procédé, on obtiendra par voie d'essais les conditions hydrodynamiques les plus favorables en faisant varier la surface libre et la durée du flux. En général,, dans la coulée usuelle par trou de coulée, et encore moins dans la coulée par déversement, les durées admissibles ne seront pas dépassées.
Dans les flux non protégés, c'est-à-dire non recouverts par du laitier, les réactions entre l'acier et la phase gazeuse sont naturelle- ment seules possibles. Les échanges entre l'acien et la phase laitier sont interrompus et, le cas échéant, les équilibres établis sont détruits. Il est également important que dans le flux les inhibitions de réactions dispa- raissent, par exemple celles qui se produisent dans les fours par suite de la relation qui existe entre le laitier et l'atmosphère des fours. C'est ainsi qu'il est possible même avec de très faibles teneurs de l'acier en car- bone d'avoir une forte séparation de l'oxygène, telle qu' elle ne peut jamais être atteinte dans les fours.
A l'encontre de ce qui se passe dans le cas de la désoxydation par le ferro-manganèse ou tout autre réducteur donnant lieu à une précipitation par laquelle les produits de la désoxydation ne se séparent que lentement et incomplètement, on a affaire, dans le flux, à une désoxydation par le carbone donnant lieu à diffusion d'un produit qui est à l'état gazeux et qui se sépare facilement et complètement du fait de la faible pression hydrostatique.
Les réactions, très intéressantes au point de vue métallurgique, qui se produisent dans le flux, sont d'autant plus fortes que la concentra- tion des corps réagissant est plus forte. La réduction par le carbone sera donc particulièrement très active, quand la teneur en oxygène-métal réagis- sant sera forte. Comme le rayonnement du jet près de la surface croît avec la température, le refroidissement sera d'autant plus grand que l'acier sera plus chaud. En général la pression du gaz qui se développe dans le métal croît avec le refroidissement.
L'effet produit par la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion est donc un dégasage en ce qui concerne l'azote et l'hydrogène,et en même temps une diminution, immédiatement efficace, de la teneur en oxygène du métal. Pour l'acier, même pour l'acier doux, non seulement l'oxydation redoutée du manganèse par l'air l'intervient pas, mais encore il se produit une réduction des oxydules indésirables, ce qui donne lieu à une formation supplémentaire de manganèse.
Du-fait de la faible pression hydrostatique dans le jet ou dans la coulée de métal, et, le cas échéant, du fait de la capacité d'absorption illimitée de l'air ambiant, une réduction par CO et H2 est possible. Comme dans tous les cas, les réactions se produisent sans adjonction d'aucune sorte, mais seulement du fait du pouvoir réactionnel propre au métal, il se produit une auto-épuration du métal, de nature chimique, laquelle est tout
<Desc/Clms Page number 4>
particulièrement rendue possible grâce au procédé selon l'invention.
Comme l'homogénéité de l'acier en bloc dépend notablement des conditions physiques aussi bien que de la composition chimique, le procédé donne cet autre résul- tat, à savoir que le refroidissement de l'acier, provoqué par le rayonne- ment intense, peut être utilisé aussi complètement que possible, sans avoir à redouter le contact nuisible avec l'air.
<Desc / Clms Page number 1>
PROCESS FOR THE SELF-CLEANING OF IRON AND STEEL IN CASTING.
It has been admitted up to now, in a very general way, that the contact of air with iron or steel during their flow was unfavorable to the quality of the products.We assumed that the oxygen in the air superficially oxidized the metal flowing in the molten state and thereby the metal absorbed oxygen. Consequently, there is no lack of proposals for, for example, reducing or even completely eliminating the contact of the casting with the air, whether it is a matter of emptying through a tap hole or of emptying by spill.
The casting channel has already been produced in the form of a tunnel and an attempt has been made to eliminate contact with air as much as possible by gas supply. Between the ladle and the mold, there were interposed reservoirs, in which were passed, against the current with respect to the casting., Reducing gases.
It has also already been proposed to use a protective sheet of gas around the casting jet, to completely surround the metal in its path from the ladle to the mold and thus make contact with air impossible.
It is further admitted that the oxidation by air of the casting metal is all the more considerable the more slowly the steel flows from the furnace or the ladle and the more the surface exposed to the air is larger. It was therefore considered advisable to have a short trip to the ladle or to the mold and to make a large taphole. In cases where there is little or no fear of harmful reactions, by exchange between the steel and the slag, it was accepted as favorable to have a protective layer of slag at least on the surface of the large flow of slag. metal flowing from the furnace, as seen in the casting operations of electric furnaces.
Against the foregoing;, the present invention starts from the observation that oxidation by air, and especially harmful inaction of
<Desc / Clms Page number 2>
contact with air during casting was overestimated. Hereinafter, the term “pouring” will continue to denote both emptying by taphole and emptying by pouring. If we consider casting in particular from a hydrodynamic point of view, we are forced to note that each particle of the casting metal can only come into contact with air for fractions of a second.
If we empty a 30-ton Thomas ingot mold in 3/4 of a minute, as is common practice, and if we allow an average drop height of 1 m 20 for the jet, each particle steel remains exposed to the air, on the surface of the jet, for only about half a second. The hydrodynamic conditions are similar in the casting operations of Siemens-Martin furnaces or electric furnaces.
When casting a ladle, the flow rate is a function of the level of the level of molten metal in the ladle. It is not uncommon for the particles to remain exposed to the air for only a quarter of a second until they go to mix with the steel contained in the mold, and most often with quite violent vortices. . But there is still an important observation that we can make on this occasion; one can almost always observe, above the molten metal, a more or less thick layer of gas in ignition. In the case of cast iron, a layer of burning hydrogen is often observed during casting. In the case of a stream of molten steel, a layer of igniting gas is also generally observed, consisting of clear flames of hydrogen and carbon monoxide.
The same observations can be made on the free surface of the molten metal in the ladles or in the molds.
We can therefore admit that there is a certain relationship, on the one hand, between the short exposure of the metal jet to air and on the other hand, the appearance of igniting gas on the surface. To say the least, both findings are of symptomatic significance for, what happens when a flow of metal passes through the air. In fact, during systematic factory casting trials with an abnormally large air exposure area and an excessively long contact time, air oxidation was not practically. highlighting. On the other hand, we caused the degasification of the steel.
The object of the invention is to usefully implement, with a metallurgical effect, the passage of air by the flow of molten metal.
In metallurgy, it is generally known that the solubility of gases in metal decreases with temperature. It is also known that the temperature drop of the paarradiation metal increases with the radiating surface. But what we have not known until now is that we could, in casting operations, use these facts and valorize them from a metallurgical point of view, practically in the form of degasing. not accompanied by oxidation or harmful absorption of gas. According to the present invention this is made possible by casting the metal under as large an area as possible and controlling the duration of exposure of the flux to air.
The invention differs due to the known process which consists in letting a large flow of iron and slag flow in order to obtain a good reaction between the two elements, since in the present process there is no slag on the surface. flux and that it is the iron itself which can react directly with the ambient air.
Besides the tendency for the evolution, by cooling effect, of gases soluble in the metal, such as nitrogen and hydrogen, the evolution of reaction gases can to a certain extent be used. Thus, for example, in steel which has not yet calmed down, there is a reaction power which is specific to it. The most important of the reactions which result from it is the transformation corresponding to the equation
EMI2.1
which is known as reduction.
If the departure of carbon monoxide technically takes some time, this is due to the adduction and abduction of the reaction components and respectively of the reaction products. From a chemical point of view, it occurs immediately.
<Desc / Clms Page number 3>
The increase of the surface exposed to the air during the casting, that is to say the decrease or the widening of the cross-section is nothing more, from a physical point of view, than a decrease in pressures hydrostatic which oppose the release of gas. In the large-area flow the evolution of soluble gases and reaction gases is greatly facilitated. This release is even so great that it prevents oxidation or absorption of gases which would be simultaneous.
Each reaction is strongest the moment it occurs.
Insofar as the adduction of the reaction components in the reaction zone considered slows down, it decreases over time. It is therefore not without danger to leave the jet exposed to the air for as long as one would like, because after a certain time the protection due to the evolution of gas ceases and the harmful attack by air can occur.
Getting to this stage depends on various factors. The temperature of the steel, its oxide and gas content, and in particular the hydrodynamic conditions of the flow are important. Particularly important is the extent to which the steel still possesses its own reactive power, especially the extent to which it is or is not calmed. In carrying out the process, the most favorable hydrodynamic conditions will be obtained by testing by varying the free surface and the duration of the flow. In general, in conventional taphole casting, and even less in spill casting, the permissible times will not be exceeded.
In unprotected flows, that is to say not covered by slag, the reactions between the steel and the gas phase are of course only possible. The exchanges between the acid and the dairy phase are interrupted and, if necessary, the established equilibria are destroyed. It is also important that in the flux the inhibitions of reactions disappear, for example those which occur in furnaces as a result of the relation which exists between the slag and the atmosphere of the furnaces. Thus it is possible even with very low carbon steel contents to have a strong separation of oxygen, such that it can never be achieved in furnaces.
Contrary to what happens in the case of deoxidation by ferro-manganese or any other reducing agent giving rise to a precipitation by which the products of the deoxidation only separate slowly and incompletely, we are dealing in the flux, to deoxidation by carbon giving rise to diffusion of a product which is in the gaseous state and which separates easily and completely due to the low hydrostatic pressure.
The reactions, which are very interesting from a metallurgical point of view, which take place in the flow, are all the stronger as the concentration of the reactants is greater. The reduction by carbon will therefore be particularly very active when the oxygen-metal reactant content is high. As the radiation of the jet near the surface increases with temperature, the cooling will be greater the hotter the steel. In general the pressure of the gas which develops in the metal increases with cooling.
The effect produced by carrying out the process according to the invention is therefore a degassing with regard to nitrogen and hydrogen, and at the same time an immediately effective reduction in the oxygen content of the metal. . For steel, even for mild steel, not only does the dreaded oxidation of manganese by air not intervene, but also a reduction of unwanted oxides occurs, which gives rise to additional formation of manganese .
Due to the low hydrostatic pressure in the jet or in the metal casting, and possibly due to the unlimited absorption capacity of the ambient air, a reduction by CO and H2 is possible. As in all cases, the reactions take place without addition of any kind, but only because of the reactive power inherent in the metal, there occurs a self-purification of the metal, of a chemical nature, which is all.
<Desc / Clms Page number 4>
particularly made possible by the method according to the invention.
As the homogeneity of the block steel depends significantly on the physical conditions as well as on the chemical composition, the process gives this further result, namely that the cooling of the steel, caused by the intense radiation, can be used as completely as possible, without having to fear harmful contact with air.