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PERFECTIONNEMENTS AU RAFFINAGE DE METAUX: ET D ALLIAGES..
La présente invention a trait au raffinage de métaux ferreux et non ferreux et d'alliages.
Bien des impuretés qui se trouvent dans les métaux sont normale- ment éliminées par oxydation, le métal étant fondu et l'air ou l'oxygène étant mis en contact avec les impuretés de manière qu'elles puissent être éli- minées sous forme gazeuse ou sous forme solide, en tant que scorieo Le conver- sion de la fonte en acier est un exemple d'un tel procédé connu et la présente invention peut être utilisée de manière particulièrement avantageuse dans un tel procédé de raffinage, bien qu'elle ne s'y limite pas exclusivement.
Le procédé Bessemer normal de la conversion de la fonte en acier consiste à souffler l'air dans un bain de fonte en fusion de manière à. oxyder les impuretés de la fonte. Le jet d'air peut être situé sous le métal ou il peut être projeté sur le métal par des tuyères situées à quelque distance au- dessus de la surface du bain. Les pressions Bessemer normales sont de l'ordre de 25 livres anglaises par-pouce carré.
Il a également été proposé d'augmenter la teneur du vent en oxygè- ne pendant le soufflage Bessemer ou même d'employer 1-'oxygène seul comme' vent de raffinage.
Selon l'invention. il est présenté un procédé de raffinage de mé- tal fondu par la projection., par une tuyère située à, une certaine distance au- dessus de la surface du métal, d'un fluide oxydant dans le métal avec une vi- tesse telle qu'une proportion suffisante du fluide pénètre dans le métal pour y réagir avec les impuretés oxydables contenues dans le métal et éliminer les- dites impuretés, caractérisé en ce que le fluide employé ne contient pas plus de 30 % d'azote et contient entre 70 % et 90 % d'oxygène.De préférence, le fluide est projeté vers la surface du métal sous une pression non inférieure à 50 livres anglaises par pouce carré.
Le mélange d'oxygène et d'azote peut consister en un gaz ou en un
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liquide, chaque forme ayant ses avantages propres. Ainsi, par exemple, l'un des avantages de l'emploi d'un jet liquide au lieu d'un jet gazeux est que le liquide a une puissance de pénétration supérieure dans le métal; il s'en- suit que si on le désire, la tuyère d'où sort le jet de fluide peut être tenue plus loin du métal. Un autre avantage provient du fait que le mélange oxygène-azote est produit à l'état liquide en fabrication normale et qu'ain- si, il peut être transporté et emmagasiné plus économiquement qu'un gaz.
Le fluide contenant de l'oxygène peut être projeté vers le bas sur la surface du métal fondu à traiter avec une vitesse telle que la majeu- re partie du jet de fluide pénètre dans le bain. La vitesse du fluide à la surface du métal,.nécessaire à réaliser cette pénétration sensiblement com- plète, doit nécessairement varier avec les circonstances. En particulier, elle varie avec la viscosité et la densité du métal à traiter.
Il a été par exemple trouvé que lorsqu'on emploie un mélange gazeux, une tuyère de 0,32 pouce de diamètre interne, dont le busillon se trouve à 6 pouces au-dessus de la surface d'un bain de fonte en fusion, demande une pression de gaz de 7 ou de 8 atmosphères afin d'éjecter environ 10. 000 pieds cubes de gaz par heure vers le métal avec une vitesse non inférieure à 1250 pieds par secon- de, une telle vitesse étant obtenue par une construction adéquate de la tuyère. Des vitesses de cet ordre sont désirables en vue d'obtenir la péné- tration et l'effet optima du fluide. Des vitesses inférieures peuvent être utilisées, avec des pertes d'oxygène plus grandes à l'avenant ; toutefois, pour les mélanges gazeux, la pression ne doit pas être inférieure à 50 li- vres anglaises par pouce carré.
L'oxygène "réfléchi" par le bain peut être utilisé à brûler les gaz combustibles dégagés, tels que l'oxyde de carbone, produisant ainsi un supplément de chaleur.
La grande vitesse du jet de fluide assure que la source des ré- actions chimiques d'oxydation se situe à l'intérieur du bain, bien loin du revêtement réfractaire du four. Ces réactions sont généralement exothermiques, la chaleur dégagée étant souvent la seule nécessaire à maintenir le métal à la température et à la fluidité requises. Le fait que les réactions ont lieu à l'intérieur du bain assure que la chaleur dégagée soit utilisée avec un rendement maximum. D'autre part, la dilatation du gaz à la tuyère de projec- tion du jet sert à maintenir la tuyère froide. La pénétration du jet sert aussi au but utile du brassage du bain, grâce à quoi les réactions se réa- lisent uniformément et à la vitesse maximum.
Le réglage du processus du raf- finage peut être réalisé en faisant varier l'inclinaison du jet sur la sur- face ou en faisant varier la vitesse du gaz ou en faisant varier la compo- sition du gaz.
Une grande difficulté, à laquelle on s'est heurté antérieurement dans le raffinage de métaux par le passage d'un courant d'air relativement lent à travers le métal, consiste en ce que l'azote et parfois l'hydrogène sont absorbés et restent dans le métal à la fin du processus du raffinage.
Il a déjà été proposé d'écarter cette difficulté en faisant usage d'oxygène pur, mais cette suggestion n'a jamais été adoptée à une grande échelle du fait du coût relativement élevé de l'oxygène pur et des problèmes que posent les réfractaires dans la mise en oeuvre de la méthode qui consiste à injec- ter l'oxygène.
Toutefois, il a été actuellement trouvé que, pourvu quele jet de fluide de grande vitesse projeté dans le métal consiste en oxygène ne con- tenant pas plus de 30 % d'azote, le métal n'absorbe pratiquement pas de ce dernier gaz. D'autre part, on estime trop coûteux d'utiliser un fluide con- tenant plus de 98 % d'oxygène, de sorte qu'en mettant en oeuvre la présente invention, des rapports d'azote à oxygène compris entre 30/70 et 2/98 sont choisis pour le fluide de raffinage.
La teneur préférée d'azote est comprise entre 5 % et 25 % et à ce jour, le coût de l'oxygène contenant ces pourcentages d'azote est relati- vement bas et n'empêche pas l'utilisation commerciale de l'invention.
Lorsqu'on emploie l'invention à la conversion de la fonte en
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acier, la possibilité existe d'utiliser un fluide oxydant contenant plus de 30 % d'azotes tel que l'air, pour la première partie du processus de la con- version, probablement jusqu'à ce que la moitié du carbone ait été oxydée, et de finir ensuite le soufflage avec un fluide ne contenant pas plus de 30 % d'azote et contenant entre 70 % et 98 % d'oxygène, pour produire des bulles d'oxyde de carbone qui, en montant dans le métal, emportent l'azote présent dans le métal brut ou capté pendant la première partie du soufflage.
L'invention peut âtre appliquée de diverses manières au procédé Bessemer connu, ainsi, par exemple, le soufflage ordinaire du procédé Besse- mer basique peut être mis en oeuvre jusqu'à la disparition des flammes de dé- carburation, après quoi le convertisseur est basculé, le vent d'air est coupé et un jet de grande vitesse d'oxygène et d'azote à l'état gazeux ou liquide, de la composition spécifiée ci-dessus et en faisant usage d'une tuyère située à une certaine distance de la surface du métal, est utilisé pour oxyder les impuretés restantes, la conversion étant achevée de la manière habituelle.
Dans une variante, le soufflage Bessemer normal peut être pour- suivi jusqu'à ce que la majeure partie du phosphore soit éliminée, après quoi le convertisseur est basculé, les scories sont enlevées, une quantité supplémentaire de carbone est ajoutée, par exemple par addition de fonte ou du métal du mélangeur, de la chaux et, si on le désire, d'autres fondants sont ajoutés et le soufflage est poursuivi pendant quelques minutes avec le jet de grande vitesse d'oxygène-azote à l'aide d'une tuyère située à une certaine distance du bain, ce qui donne un acier à basse teneur en azote.
L'acier est alors fini jusqu'à la composition voulue à l'analyse par l'addi- tion de ferromanganèse, de spiegel, d'aluminium et de toute autre matière d'addition habituelle.
D'une quelconque de ces variantes du procédé Bessemer fournit'un acier dont les teneurs en azote, soufre et phosphore sont comparables avec celles de l'acier sur sole ou de l'acier électrique.
Le jet peut être introduit dans le métal fondu par la bouche du convertisseur ou par une des tuyères propres du convertisseur que ces der- nières soient situées au fond ou sur le côté du convertisseur. Dans le cas d'un convertisseur soufflé par le fond, une porte peut être prévue sur la plaque du fond, cette porte étant ouverte, après que le convertisseur a été basculé, pour permettre d'introduire la tuyère servant à la mise en oeuvre de l'invention par les trous des tuyères du convertisseur, de manière à la situer au-dessus de la surface du métalo
Il a été trouvé que lorsque le procédé Bessemer normal est modi- fié par l'incorporation de la présente invention, c'est-à-dire ,lorsque le soufflage normal est remplacé par un jet de grande vitesse d'oxygène ne con- tenant pas plus de 30 %.d'azote et contenant entre 70 % et 98 % d'oxygène,
le phosphore est sensiblement entièrement éliminé avant l'élimination de tout le carbone. Il s'ensuit que le procédé modifié offre le très grand avan- tage de supprimer la nécessité de recarburer le métal à la fin du soufflage.
La construction du fond Bessemer habituel n'est de ce fait plus nécessaire si le jet de grande vitesse est projeté dans le bain de métal fondu par une ou plusieurs tuyères placées, avant que le soufflage ne commence, à quelques pouces au-dessus de la surface du bain de métal. Pendant le soufflage, le métal et la scorie peuvent bouillonner jusqu'à un niveau indéfini. Dans le procédé connu, l'azote passant à travers le bain emporte une grande quantité de la chaleur dégagée, mais, selon la présente invention, du fait que la quantité d'azote est considérablement réduite, une grande économie de cha- leur a lieu. Les réactions s'effectuent bien plus rapidement, avec ce résul- tat que des températures plus élevées sont atteintes.
Il s'ensuit que le pro- cédé peut être utilisé pour la conversion d'un métal à traiter ayant une te- neur bien plus faible en éléments thermogènes: silicium, carbone et phospho- re. Dans une variante ou en outre, le procédé peut être utilisé pour un mé- tal à traiter qui comprend des pourcentages bien plus élevés de mitrailles, tandis que comme il est indiqué plus haut, on n'introduit pratiquement pas
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d'azote dans le métal et que, chose évidente, on n'y introduit pas d'hydro- gène puisqu'il n'y en a pas dans le jet.
Les convertisseurs Bessemer, tels qu'ils sont exploités en Gran- de Bretagne sont aptes à traiter au plus 5 % d'addition de mitrailles, bien que 25 % des lingots d'acier fournis par ce procédé revïennent du laminoir sous forme de mitrailles. Il serait dès lors extrêmement avantageux d'établir un procédé qui permette à une usine indépendante d'utiliser la totalité de ses propres mitrailles ou, étant donné le fait que le prix actuel est infé- rieur à la moitié de celui de la fonte, de permettre d'employer un pourcen- tage plus élevé d'additions de mitrailles qu'il n'a été antérieurement possi- ble.
Il s'ensuit que ci est un autre but de la présente invention que de présenter un procédé d'oxydation d'impuretés de la fonte qui n'est pas li- mité, comme antérieurement, par les quantités relatives d'éléments thermogè- nes contenus dans le métal brut,si bien que le procédé est souple en ce sens ,qu'il peut s'adapter à des charges caractérisées par des rapports de mitrail- les à fonte en fusion très différents et par des teneurs à l'analyse très dif- férentes de la fonte en les éléments thermogènes susmentionnés.
Ce but est réalisé en ajoutant continûment ou par intermittence au bain, pendant que le jet y pénètre, une substance thermogène telle qu'une matière carbonée.
Ce procédé particulier peut être mis sa.:oeuvre dans un four fermé, à revêtement réfractaire, basculant ou rotatif,ayant des orifices à ses deux extrémités pour l'échappement des gaz qui brûlent au-dessus du métal. A cha- que extrémité on dispose la tuyère ou les tuyères à l'aide desquelles un mé- lange d'azote et d'oxygène de la composition spécifiée ci-dessus peut être projeté avec une grande vitesse dans le bain de métal fondu qui se trouve sur la sole du four.
Une section transversale du four est de préférence ellipti- que ou ovoïde, son grand axe étant vertical et de préférence plus grand que son axe horizontal,cette forme présentant les avantages que la voûte a une portée relativement petite, de sorte que le chargement peut se faire par le dessus et que dès lors, les murs avant et arrière du four peuvent tous deux être inclinés , comme l'est à présent habituellement le mur arrière seul d'un four à sole de construction ordinaire. Le four est pourvu d'un seul régénéra- teur à chaque extrémité, à travers lequel passent les gaz brûlés et dans le- quel l'air comburant entrant est préchauffé. Les régénérateurs sont inversés à des intervalles adéquats qui, du fait de la vitesse du processus, peuvent coincider avec le chargement.
Le four est initialement chargé de métal fondu, tel que la fon- te, contenant une proportion relativement élevée de carbone et/ou d'autres éléments thermogènes, ou bien ce métal peut être fondu dans le four, à l'ai- de de brûleurs à gaz, après avoir été chargé. Des tuyères situées à une ex- trémité du four projettent dans le bain de métal fondu un jet de fluide con- sistant de préférence en un mélange de 10 % d'azote et de 90 % d'oxygène. Le jet est dirigé vers le bas sur la surface du métal avec une vitesse suffisam- ment élevée pour assurer que, sensiblement,la totalité du fluide pénètre dans le bain. Le jet sert à maintenir un brassage vigoureux, si bien que les réac- tions d'oxydation se poursuivent à l'intérieur du.métal à une très grande vi- tesse et avec un rendement chimique élevé de l'oxygène.
Le silicium et le phosphore passent, dans la scorie, tandis que le carbone brûle en oxyde de carbone qui s'élève au-dessus du métal et de la scorie pour être brûlé en anhydride carbonique par l'air ou l'oxygène ou un mélange d'oxygène et d'azote admis.par l'extrémité d'entrée du four. Toutes ces réactions sont exothermiques et fournissent une partie de la chaleur né- cessaire à la continuation du processus. Les mitrailles sont descendues dans le four entre le centre du four et l'extrémité de sortie, pendant la période de soufflage.
Le jet d'oxygène-azote, en conjonction avec une scorie adéquate,
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élimine une grande proportion de soufre ; lors, l'addition de charbon, de coke ou d'autres matières carbonées contenant du soufre, directement au bain, est possible. Il est toutefois préférable que la matière carbonée ait une basse teneur en soufre et en matières volatiles.
Le carbone peut être ajouté au bain continûment ou par intermit- tence et en quantités telles qu'il fournisse par son oxydation la chaleur né- cessaire à la poursuite du processus et à la fusion des mitrailles ajoutées.
Le carbone peut être ajouté au bain par une "électrode solide" du type Soder- berg, saillant dans le four à travers la voûte à l'extrémité éloignée de l'ex- trémité d'entrée et comprenant une matière carbonée, telle que l'anthracite ou le coke, liée par le brai ou une matière analogue, enveloppée d'une chemise d'acier et protégée de l'extérieur par un revêtement réfractaire. Elle peut être relevée et baissée à volonté à travers un orifice refroidi à l'eau de la voûte du four. Dans une variante, le jet peut être employé en tant que véhicule pour transporter une substance thermogène dans le métal. Ainsi, le carbone peut être ajouté au bain sous forme de combustible pulvérisé, injec- té dans le four à grande vitesse avec le fluide oxydant ou par. des tuyères séparées.
Ou encore, il peut être projeté dans le métal par une machine cen- trifuge du type des machines à projeter le sable. Dans les deux derniers cas susmentionnés, le carbone peut être ajouté au bain du même côté du four que le jet oxydant, mais lorsqu'on fait usage d'"électrodes", il est préférable de descendre l'électrode dans le bain à l'extrémité de sortie du four de ma- nière qu'elle ne gêne pas le jet oxydant.
Lorsque le carbone est immergé dans un bain de fonte ou d'acier, on sait que la vitesse avec laquelle le carbone se dissout est fonction de la teneur du bain en carbone et que la dissolution est extrêmement rapide pour des faibles teneurs et très lente lorsque la teneur en carbone du métal approche de 3,0 %.
Pour des raisons de technique métallurgique, il est désirable de provoquer un bouillonnement purificateur d'oxyde de carbone pour éliminer tou- tes les impuretés gazeuses. Par conséquent, il est désirable, du fait de ces considérations, de maintenir la teneur en carbone dans le voisinage, par exem- ple, de 0,6 % à 1,0 % pendant la phase du processus pendant laquelle le car- bone est ajouté au bain. Pour ces teneurs, le carbone se dissout aisément et lorsque l'addition est arrêtée, une quantité suffisante de carbone reste dans le bain pour produire un bouillonnement de finissage et pour finir la conver- sion avec la teneur en carbone requise. La teneur ci-dessus de 0,6 % de car- bone peut être évidemment abaissée si l'on vise un produit à faible teneur en carbone.
La teneur en carbone dubain peut être réglée par le débit de l'ap- port d'oxygène, le débit de l'apport de carbone et la fréquence de l'inver- sion, si la circulation du bain est faible.
Si, à certaines phases, pendant la mise en oeuvre du processus, la combustion du silicium ou du phosphore seul a lieu, alors il n'y a évidem- ment aucun avantage à permettre que l'air passe par les orifices, le débit de l'apport d'air étant fonction de la vitesse de production de l'oxyde de car- bone.
Pendant le processus, la scorie est maintenue à l'état correct par l'addition de chaux, d'oxyde de fer, de spath fluor, d'alumine, de sili- ce et de tous les autres fondants qui peuvent être désirables. De préféren- ce, la chaux est concassée au préalable à la grosseur comprise entre 2 et 4 pouces et les fines sont éliminées.
Le rendement en métal peut être augmenté et la température du bain peut aussi être réglée par l'addition de minerais de fer et d'oxydes de fer. Cette méthode de réglage de la température peut être utilisée lorsque l'approvisionnement en mitrailles est insuffisant pour assurer un réglage adéquat de la température.
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Après la fusion de la totalité de la charge et le soufflage jus- qu'à la teneur requise en carbone, l'acier produit peut être fini de la ma- nière habituelle par l'addition de désoxydants et d'éléments d'alliage.
Le jet de grande vitesse produit un brassage vigoureux et en- traîne la scorie vers le bas, dans le corps de métal, assurant ainsi un mé- lange intime et des réactions rapides.
L'efficacité avec laquelle l'oxyde de carbone dégagé est brûlé en anhydride carbonique est grandement augmentée par l'action des régénéra- teurs qui préchauffent l'air comburant. La construction du four doit être telle que les gaz puissent rester dans le four pendant un temps suffisant à assurer la combustion complète dans le four.
Les orifices à air sont de préférence construits de manière à di- riger le courant d'air vers le bas et l'extrémité voisine du bain et le long de la surface de la scorie et du métal. Les tuyères sont placées à côté des orifices à air ou à travers les orifices à air (ou les deux) de manière que les jets heurtent le bain et y pénètrent aussi près que pratiquement possi- ble du côté bâbord du bain. Cet agencement perme$ que l'oxyde de carbone pro- duit par la combustion cubain entre en contact immédiat avec l'air préchauf- fé. Il peut être avantageux de retirer les tuyères à oxygène qui ne fonction- nent pas.
Si on le désire, le procédé peut être mis en oeuvre dans un four annulaire pourvu d'une cuve verticale centrale dans laquelle les mitrailles sont fondues, des jets de grande vitesse d'oxygène et d'azote mélangés, de la composition spécifiée ci-dessus, étant dirigés d'en-haut dans le métal fondu que recueille une sole annulaire qui entoure la cuve centrale à un ni- veau situé plus bas que l'extrémité basse de la cuve.
Le procédé peut aussi être mis en oeuvre dans un convertisseur Bessemer,ou dans un four à sole, un four électrique ou tout autre four adé- quat, qu'il soit à régénérateur ou non.
Il faut observer que le procédé décrit endernier lieu est très souple en ce qui concerne le choix des rapports des mitrailles à la fonte en fusion de la charge, ce qui offre la possibilité de tirer avantages des prix du jour des mitrailles et de la fonte sur le marché. De même, la consommation de combustible pour la production d'un acier de la qualité de l'acier sur so- le est considérablement réduite.
Dans tous les procédés ici décrits, les mélanges oxygène-azote peuvent être préchauffés à l'aide de la chaleur perdue des gaz dégagés dans la réaction principale ou sans recourir à cette source de chaleur. Dans une variante ou en outre,le métal brut peut être préchauffé. Le procédé peut être mis en oeuvre dans un four à arc électrique ou dans un four à induc- tion électrique, la matière brute étant électriquement préchauffée; dans ce cas, lors de l'achèvement du processus du soufflage, la conversion peut être finie par le chauffage sous une scorie désoxydate. Par ce procédé, des aciers simples au carbone peuvent être obtenus qui ont une qualité égale à celle des aciers électriques.
On peut aussi produire de la chaleur en faisant des additions adéquates au jet ou au métal.
Ainsi, on peut souffler avec le jet ou avec un autre moyen, tel qu'un apport séparé de gaz, un élément ou un alliage aisément oxydable, c'est- à-dire, un élément ou un alliage qui ait une chaleur d'oxydation élevée, tel que le silicium, l'aluminium, le calcium ou le magnésium. Le but, dans ce cas, est d'augmenter localement la température, à l'endroit où le jet pénè- tre dans la surface du bain, de manière à provoquer plus rapidement l'oxyda- tion. De telles matières sont de préférence ajoutées sous une forme finement
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divisée, telle par exemple que celle des copeaux broyés ou de la poudre.
Ces additions peuvent, si on le désire, être mises dans le bain autrement que par le moyen du jet.
Dans une variante, on peut souffler dans le métal, simultanément avec le jet, un gaz ou un liquide combustible, tel que le gaz de four à coke, le gaz pauvre, le gaz de houille, l'huile ou le goudron. Le gaz ou le liqui- de additionnel doivent être dirigés de manière à brûler avec une partie de l'oxygène du jet de façon à augmenter localement la température.
Dans les deux cas mentionnés en dernier lieu, on obtient des tem- pératures plus élevées ou bien on a la possibilité d'effectuer les additions de la quantité voulue de mitrailles en un enfournement, en plusieurs phases ou de manière continue pendant les opérations-du soufflage.
Ou encore, les mitrailles d'acier peuvent être fondues dans un cubilot ou un autre four,en contact avec des matières carbonées et être sub- séquemment soufflées avec le jet, le carbone dont les mitrailles se chargent dans le cubilot ou l'autre four étant utilisé en tant que combustible pour le processus du soufflage par jet.
Le jet peut être agencé de manière à fournir un surplus d'oxygè- ne, de sorte qu'il brûle l'oxyde de carbone, dégagé lors de l'oxydation du carbone, en anhydride carbonique, produisant ainsi, à la surface de la scorie ou du métal, une chaleur additionnelle qui peut être utilisée à fondre un sup- plément de mitrailles. Cela peut être effectué en réglant l'inclinaison ou la vitesse du jet de manière que la totalité du mélange oxygène-azote ne pénè- tre pas dans le métal, le surplus de l'oxygène "réfléchi" servant à brûler l'oxyde de carbone libéré.
Des fondants, tels que la chaux, le calcaire, le spath fluor, l'alumine et la silice, .peuvent être ajoutés dans le but de produire une sco- rie afin d'éliminer ou de neutraliser la silice, le pentoxyde de phosphore et tout autre produit du processus de l'oxydation. La pratique qui consiste à produire une scorie initiale pour éliminer la silice et l'oxyde de manganèse, les oxydes de titane ou de vanadium, à enlever la scorie et ensuite à pro- duire une deuxième scorie pour éliminer le phosphore, peut aussi être mise en oeuvre. La double scorification peut aussi être utilisée pour obtenir cer- tains aciers à basse teneur en phosphore et en soufre.
Les scories peuvent être préformées si on le désire.
En tous cas,l'oxygène du jet réagit non seulement avec les con- stituants du métal, mais aussi avec la scorie, augmentant ainsi la teneur en oxygène de cette dernière et donc, les réactions d'oxydation en général.
La tuyère dont sort le jet est réglable de manière que le jet puisse être dirigé sous toute inclinaison comprise entre 15 et 90 sur l'ho- rizontale, mais de préférence, entre 30 et 75 , tandis que la distance en- tre la tuyère et le métal et/ou la scorie doit être comprise entre 1 pouce et 20 pouces- et, de préférence, entre 4 pouces et 12 pouces.
A mesure que les volumes de la scorie et du métal augmentent (ce dernier par suite de l'addition des mitrailles) le niveau du métal se déplace et la tuyère est construite de manière qu'elle soit réglable pour qu'elle puisse être tenue à une distance plus ou moins constante du bain de mé- tal.
, L'orifice de la tuyère peut être d'une forme autre que la forme circulaire; elle peut par exemple être rectangulaire ou aplatie si c'est né- cessaire.
La tuyère peut être protégée contre les projections ou l'écumedela
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scorie ou du métal au moyen d'un tube de métal réfractaire ou par une envelop- pe réfractaire de plastic. La tuyère et le tube sont de préférence construits en une matière qui résiste à l'oxydation, qui peut-être une matière métallique ou céramique.
Plusieurs tuyères peuvent être employées simultanément et adéqua- tement situées dans le four et,si on le désire, chacune d'entre elles peut recevoir un mouvement' vibratoire de manière à couvrir une partie plus grande de la surface du bain.
Le jet sert à faire circuler et à brasser le métal et la scorie, ce qui est utile si des alliages de nickel ou de molybdène doivent être ajou- tés, et ce qui favorise l'uniformité de la composition et celle de la tempéra- ture dans l'ensemble du bain.
Le procédé peut être employé pour le raffinage de métaux autres que le fer, par exemple de mélanges des sulfures fondus qui sont connus sous le nom de mattes et, par exemple, des sulfures de cuivre-fer ou des sulfures de cuivre-nickel-fer, dans lesquels les impuretés principales à éliminer sont le fer et le soufre.
Le procédé de soufflage par jet décrit ci-dessus peut être employé en conjonction avec d'autres procédés connus de fabrication de l'acier ou de raffinage. Par exemple, un four à sole ou un convertisseur Bessemer, acide ou basique, peut être utilisé à préchauffer le métal ; quoi, le jet oxy- dant (ou les jets oxydants) est employé à raffiner le métal. Dans le cas du four à sole, le métal peut être fini en supprimant le jet et ensuite en fai- sant usage du procédé normal du raffinage sur sole.
Ou encore,le procédé électrique normal peut être employé à fondre la charge, après quoi des jets oxydants de grande vitesse, ayant la composi- tion spécifiée ci-dessus, sont soufflés dans le métal pour effectuer les opé- rations principales de raffinage et ensuite, la désoxydation et la désulfura- tion finales peuvent être réalisées de la manière normale dans le four élec- trique.
La présente invention serait mise en oeuvre en conjonction avec l'utilisation du four à sole normal, non pas tant en vue d'améliorer la qua- lité de l'acier, qu'en vue de rendre le processus meilleur marché. Ainsi, le temps pris par le processus de conversion sur sole peut être très sensible- ment réduit en introduisant des tuyères à travers les portes de chargement ou à travers le mur arrière du four, tuyères qui projettent à une grande vitesse, un gaz oxydant, de la composition spécifiée, dans le bain de métal, tandis que le procédé sur sole normal est en voie d'être mis en oeuvre.
Dans les revendications qui suivent, lorsqu'il est question de la projection d'un jet de fluide oxydant dans le métal fondu, cette expres- sion comprend le cas où le jet frappe en fait la scorie qui se trouve sur la surface du métal fondu et agit sur le métal en passant à travers la scorie pour atteindre le métal et en renouvelant la scorie de manière qu'elle re- trouve ou augmente son aptitude à agir sur le métal.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de raffinage de métal et d'alliages fondus par la projection, par une tuyère située à une certaine distance au-dessus de la surface du métal, d'un fluide oxydant dans le métal avec une vitesse telle qu'une proportion suffisante du fluide pénètre dans le métal pour y réagir avec les impuretés oxydables contenues dans le métal et éliminer les impure- tés, caractérisé en ce que le fluide employé ne contient pas plus de 30 % d'azote et contient entre 70 % et 98 % d'oxygène.
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IMPROVEMENTS IN THE REFINING OF METALS: AND ALLOYS.
The present invention relates to the refining of ferrous and non-ferrous metals and alloys.
Many of the impurities found in metals are normally removed by oxidation, the metal being molten and air or oxygen being contacted with the impurities so that they can be removed as a gas or gas. in solid form, as slag. The conversion of cast iron into steel is an example of such a known process and the present invention can be used particularly advantageously in such a refining process, although it is not known to exist. do not limit it exclusively.
The normal Bessemer process of converting cast iron to steel involves blowing air into a bath of molten iron so as to. oxidize the impurities of the cast iron. The air jet can be located under the metal or it can be projected onto the metal by nozzles located some distance above the surface of the bath. Normal Bessemer pressures are on the order of 25 English pounds per square inch.
It has also been proposed to increase the oxygen content of the wind during Bessemer blowing or even to employ oxygen alone as the refining wind.
According to the invention. a process is presented for refining molten metal by spraying, through a nozzle located at a certain distance above the surface of the metal, an oxidizing fluid in the metal with a speed such that 'a sufficient proportion of the fluid penetrates into the metal to react there with the oxidizable impurities contained in the metal and to eliminate said impurities, characterized in that the fluid employed does not contain more than 30% nitrogen and contains between 70% and 90% oxygen. Preferably, the fluid is projected to the metal surface under a pressure of not less than 50 English pounds per square inch.
The mixture of oxygen and nitrogen can consist of a gas or a
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liquid, each form having its own advantages. Thus, for example, one of the advantages of using a liquid jet instead of a gas jet is that the liquid has a higher penetrating power in the metal; it follows that if desired, the nozzle from which the jet of fluid exits can be held further from the metal. Another advantage arises from the fact that the oxygen-nitrogen mixture is produced in a liquid state in normal manufacture and thus can be transported and stored more economically than a gas.
The oxygen-containing fluid can be sprayed downward onto the surface of the molten metal to be treated with such a velocity that the majority of the fluid jet enters the bath. The velocity of the fluid at the metal surface, necessary to achieve this substantially complete penetration, must necessarily vary with the circumstances. In particular, it varies with the viscosity and the density of the metal to be treated.
For example, it has been found that when a gas mixture is employed, a nozzle 0.32 inch in internal diameter, the nozzle of which is 6 inches above the surface of a bath of molten iron, requires a gas pressure of 7 or 8 atmospheres in order to eject about 10,000 cubic feet of gas per hour towards the metal with a velocity of not less than 1250 feet per second, such velocity being obtained by adequate construction of the nozzle. Velocities of this order are desirable in order to obtain the optimum penetration and effect of the fluid. Lower speeds can be used, with greater oxygen losses to match; however, for gas mixtures the pressure should not be less than 50 English pounds per square inch.
Oxygen "reflected" from the bath can be used to burn evolved combustible gases, such as carbon monoxide, thereby producing additional heat.
The high velocity of the fluid jet ensures that the source of the chemical oxidation reactions is inside the bath, well away from the refractory lining of the furnace. These reactions are generally exothermic, the heat given off being often the only one necessary to maintain the metal at the required temperature and fluidity. The fact that the reactions take place inside the bath ensures that the heat released is used with maximum efficiency. On the other hand, the expansion of the gas at the spray nozzle serves to keep the nozzle cool. The penetration of the jet also serves the useful purpose of stirring the bath, whereby the reactions take place uniformly and at maximum speed.
The adjustment of the refining process can be achieved by varying the inclination of the jet on the surface or by varying the speed of the gas or by varying the composition of the gas.
A great difficulty, which has been encountered previously in the refining of metals by the passage of a relatively slow current of air through the metal, is that nitrogen and sometimes hydrogen are absorbed and remain in the metal at the end of the refining process.
It has already been proposed to overcome this difficulty by making use of pure oxygen, but this suggestion has never been adopted on a large scale due to the relatively high cost of pure oxygen and the problems with refractories in the field. the implementation of the method which consists in injecting oxygen.
However, it has now been found that, provided that the high velocity fluid jet projected into the metal consists of oxygen containing no more than 30% nitrogen, the metal does not absorb substantially any of the latter gas. On the other hand, it is considered too expensive to use a fluid containing more than 98% oxygen, so that by implementing the present invention, nitrogen to oxygen ratios of between 30/70 and 2/98 are chosen for the refining fluid.
The preferred nitrogen content is between 5% and 25% and to date the cost of oxygen containing these percentages of nitrogen is relatively low and does not preclude the commercial use of the invention.
When the invention is employed in the conversion of cast iron into
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steel, the possibility exists to use an oxidizing fluid containing more than 30% nitrogen such as air, for the first part of the conversion process, probably until half of the carbon has been oxidized , and then finish the blowing with a fluid containing no more than 30% nitrogen and containing between 70% and 98% oxygen, to produce bubbles of carbon monoxide which, on rising in the metal, wash away the nitrogen present in the raw metal or captured during the first part of the blowing.
The invention can be applied in various ways to the known Bessemer process, thus, for example, the ordinary blowing of the basic Bessemer process can be carried out until the combustion flames have disappeared, after which the converter is switched on. tilted, the air wind is cut and a high speed jet of oxygen and nitrogen in gaseous or liquid state, of the composition specified above and by making use of a nozzle located at a certain distance of the metal surface, is used to oxidize the remaining impurities, the conversion being completed in the usual manner.
Alternatively, normal Bessemer blowing can be continued until most of the phosphorus is removed, after which the converter is tilted, the slag is removed, more carbon is added, for example by addition. of cast iron or metal from the mixer, lime and, if desired, other fluxes are added and the blowing is continued for a few minutes with the high speed jet of oxygen-nitrogen using a nozzle located at a certain distance from the bath, resulting in a steel with a low nitrogen content.
The steel is then finished to the composition desired for analysis by the addition of ferromanganese, spiegel, aluminum and any other customary addition material.
Any one of these variants of the Bessemer process provides a steel whose nitrogen, sulfur and phosphorus contents are comparable with those of hearth steel or electric steel.
The jet can be introduced into the molten metal through the mouth of the converter or through one of the converter's own nozzles, whether these are located at the bottom or on the side of the converter. In the case of a bottom-blown converter, a door may be provided on the bottom plate, this door being open, after the converter has been tilted, to allow the nozzle to be introduced for the implementation of the invention through the holes in the converter nozzles, so as to locate it above the surface of the metal
It has been found that when the normal Bessemer process is modified by the incorporation of the present invention, that is, when the normal blowing is replaced by a high velocity jet of oxygen not containing not more than 30% nitrogen and containing between 70% and 98% oxygen,
phosphorus is substantially completely removed before all carbon is removed. It follows that the modified process offers the very great advantage of eliminating the need to recarburize the metal at the end of the blowing.
The construction of the usual Bessemer bottom is therefore no longer necessary if the high speed jet is projected into the bath of molten metal by one or more nozzles placed, before blowing begins, a few inches above the surface of the metal bath. During blowing, metal and slag can bubble up to an undefined level. In the known process, the nitrogen passing through the bath takes away a large amount of the heat given off, but, according to the present invention, because the amount of nitrogen is considerably reduced, a great saving in heat takes place. . The reactions proceed much faster, with the result that higher temperatures are reached.
It follows that the process can be used for the conversion of a metal to be treated having a much lower content of thermogenic elements: silicon, carbon and phosphorus. Alternatively or additionally, the process can be used for a metal to be processed which comprises much higher percentages of scrap, while as indicated above, hardly any is introduced.
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of nitrogen in the metal and that, evidently, no hydrogen is introduced into it since there is none in the jet.
Bessemer converters, as used in Gran-de-Bretagne, are able to process at most 5% addition of scrap, although 25% of the steel ingots supplied by this process return from the rolling mill in the form of scrap. It would therefore be extremely advantageous to establish a process which allows an independent factory to use all of its own scrap or, given that the current price is less than half that of pig iron, to allow the use of a higher percentage of additions of scrap metal than previously possible.
It follows that it is another object of the present invention to present a process for the oxidation of impurities in cast iron which is not limited, as before, by the relative amounts of thermogenic elements. contained in the raw metal, so that the process is flexible in this sense, that it can adapt to loads characterized by very different ratios of machine guns to molten iron and by very different analytical contents. Different from cast iron in the aforementioned thermogenic elements.
This object is achieved by adding continuously or intermittently to the bath, while the jet is entering it, a thermogenic substance such as carbonaceous material.
This particular process can be carried out in a closed furnace, with refractory lining, tilting or rotating, having orifices at its two ends for the escape of gases which burn above the metal. At each end there is placed the nozzle or nozzles by means of which a mixture of nitrogen and oxygen of the composition specified above can be projected with high velocity into the bath of molten metal which is formed. found on the bottom of the oven.
A cross section of the furnace is preferably elliptical or ovoid, its major axis being vertical and preferably greater than its horizontal axis, this shape having the advantages that the vault has a relatively small span, so that the load can extend. do from the top and therefore the front and rear walls of the oven can both be sloped, as is now usually the back wall alone of a deck oven of ordinary construction. The furnace is provided with a single regenerator at each end, through which the flue gases pass and in which the incoming combustion air is preheated. Regenerators are reversed at suitable intervals which, due to the speed of the process, 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 can be melted in the furnace, using gas burners, after being charged. Nozzles at one end of the furnace project into the bath of molten metal a jet of fluid preferably consisting of a mixture of 10% nitrogen and 90% oxygen. The jet is directed downward onto the metal surface with a sufficiently high velocity to ensure that substantially all of the fluid enters the bath. The jet serves to maintain vigorous stirring so that oxidation reactions continue inside the metal at a very high speed and with a high chemical yield of oxygen.
Silicon and phosphorus pass, into the slag, while the carbon burns as carbon monoxide which rises above the metal and the slag to be burned to carbon dioxide by air or oxygen or a mixture oxygen and nitrogen admitted by the inlet end of the furnace. All of these reactions are exothermic and provide part of the heat required to continue the process. Scrap metal is lowered into the furnace between the center of the furnace and the outlet end, during the blowing period.
The oxygen-nitrogen jet, in conjunction with an adequate slag,
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removes a large proportion of sulfur; therefore, the addition of carbon, coke or other carbonaceous materials containing sulfur, directly to the bath, is possible. However, it is preferable that the carbonaceous material has a low sulfur and volatile content.
The carbon can be added to the bath continuously or intermittently and in such quantities as to provide by its oxidation the heat necessary for the continuation of the process and for the fusion of the added scrap.
The carbon can be added to the bath through a Soderberg-type "solid electrode" projecting into the furnace through the arch at the end remote from the inlet end and comprising a carbonaceous material, such as. 'anthracite or coke, bonded by pitch or the like, wrapped in a steel jacket and protected from the outside by a refractory lining. It can be raised and lowered at will through a water-cooled orifice in the roof of the oven. Alternatively, the jet can be employed as a vehicle to transport a thermogenic substance in the metal. Thus, the carbon can be added to the bath in the form of pulverized fuel, injected into the furnace at high speed with the oxidizing fluid or by. separate nozzles.
Or, it can be thrown into the metal by a centrifugal machine of the type of sand throwing machines. In the last two cases mentioned above, the carbon can be added to the bath on the same side of the furnace as the oxidizing jet, but when "electrodes" are used, it is preferable to lower the electrode into the bath. outlet end of the oven so that it does not obstruct the oxidizing jet.
When the carbon is immersed in a cast iron or steel bath, we know that the speed with which the carbon dissolves is a function of the carbon content of the bath and that the dissolution is extremely fast for low contents and very slow when the carbon content of the metal approaches 3.0%.
For reasons of metallurgical engineering, it is desirable to cause carbon monoxide purifying bubbling to remove all gaseous impurities. Therefore, it is desirable, in view of these considerations, to keep the carbon content in the vicinity of, for example, 0.6% to 1.0% during the phase of the process in which the carbon is. added to the bath. At these levels the carbon dissolves readily and when the addition is stopped a sufficient amount of carbon remains in the bath to produce a finishing boil and to complete the conversion with the required carbon content. The above 0.6% carbon content can of course be lowered if one is aiming for a low carbon product.
The carbon content of the bath can be regulated by the rate of the oxygen supply, the rate of the carbon input and the frequency of the inversion, if the circulation of the bath is low.
If, at certain stages, during the carrying out of the process, the combustion of silicon or phosphorus alone takes place, then there is obviously no advantage in allowing air to pass through the orifices, the flow of the supply of air being a function of the rate of production of the carbon monoxide.
During the process the slag is maintained in the correct state by the addition of lime, iron oxide, fluorspar, alumina, silica and any other fluxes which may be desirable. Preferably, the lime is pre-crushed to a size of between 2 and 4 inches and the fines are removed.
The metal yield can be increased and the bath temperature can also be regulated by the addition of iron ores and iron oxides. This method of temperature control can be used when the supply of scrap metal is insufficient to ensure proper temperature control.
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After the entire charge has been melted and blown to the required carbon content, the steel produced can be finished in the usual manner by the addition of deoxidizers and alloying elements.
The high speed jet produces vigorous stirring and drags the slag down into the metal body, ensuring intimate mixing and rapid reactions.
The efficiency with which the carbon monoxide given off is burnt to carbon dioxide is greatly increased by the action of regenerators which preheat the combustion air. The construction of the furnace must be such that the gases can remain in the furnace for a time sufficient to ensure complete combustion in the furnace.
The air ports are preferably constructed so as to direct the air stream down and the adjacent end of the bath and along the surface of the slag and metal. The nozzles are placed next to the air ports or through the air ports (or both) so that the jets strike the bath and enter it as close to the port side of the bath as practicable. This arrangement allows the carbon monoxide produced by Cuban combustion to come into immediate contact with the preheated air. It may be advantageous to remove non-functioning oxygen nozzles.
If desired, the process can be carried out in an annular furnace provided with a central vertical tank in which the scrap is melted, high speed jets of oxygen and nitrogen mixed, of the composition specified above. above, being directed from above into the molten metal collected by an annular hearth which surrounds the central vessel at a level below the lower end of the vessel.
The process can also be implemented in a Bessemer converter, or in a hearth furnace, an electric furnace or any other suitable furnace, whether it is regenerator or not.
It should be noted that the process described last is very flexible as regards the choice of the ratios of the scrap to the molten iron of the charge, which offers the possibility of taking advantage of the prices of the day of the scrap and of the cast iron on the market. Likewise, the fuel consumption for the production of steel grade steel on foundation is considerably reduced.
In all of the processes described here, the oxygen-nitrogen mixtures can be preheated using the waste heat from the gases given off in the main reaction or without resorting to this heat source. Alternatively or additionally, the raw metal can be preheated. The process can be carried out in an electric arc furnace or in an electric induction furnace, the raw material being electrically preheated; in this case, upon completion of the blowing process, the conversion can be finished by heating under a deoxidate slag. By this process, simple carbon steels can be obtained which have a quality equal to that of electric steels.
Heat can also be produced by making suitable additions to the jet or the metal.
Thus, one can blow with the jet or with some other means, such as a separate supply of gas, an easily oxidizable element or alloy, i.e., an element or an alloy which has a heat of. high oxidation, such as silicon, aluminum, calcium or magnesium. The aim, in this case, is to increase the temperature locally, where the jet penetrates the surface of the bath, so as to cause oxidation more rapidly. Such materials are preferably added in a fine form.
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divided, such as, for example, that of ground chips or powder.
These additions can, if desired, be put into the bath other than by means of the jet.
In a variant, it is possible to blow into the metal, simultaneously with the jet, a gas or a combustible liquid, such as coke oven gas, lean gas, coal gas, oil or tar. The additional gas or liquid must be directed so as to burn with part of the oxygen in the jet so as to locally increase the temperature.
In the two last-mentioned cases, higher temperatures are obtained or there is the possibility of adding the desired quantity of scrap in one charging, in several phases or continuously during operations. blowing.
Or, the steel scrap can be melted in a cupola or other furnace, in contact with carbonaceous material and then be blown with the jet, the carbon whose scrap is loaded in the cupola or other furnace. being used as fuel for the jet blowing process.
The jet can be arranged to provide a surplus of oxygen, so that it burns the carbon monoxide, given off during the oxidation of carbon, into carbon dioxide, thus producing, on the surface of the gas. slag or metal, additional heat that can be used to melt additional scrap metal. This can be done by adjusting the inclination or speed of the jet so that all of the oxygen-nitrogen mixture does not penetrate the metal, the excess "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 producing slag to remove or neutralize silica, phosphorus pentoxide and any other product of the oxidation process. The practice of producing an initial slag to remove silica and manganese oxide, titanium or vanadium oxides, removing the slag and then producing a second slag to remove phosphorus, can also be applied. implemented. Double slagging can also be used to obtain certain steels with a low phosphorus and sulfur content.
Slag can be preformed if desired.
In any case, the oxygen in the jet reacts not only with the constituents of the metal, but also with the slag, thus increasing the oxygen content of the latter and therefore, the oxidation reactions in general.
The nozzle from which the jet emerges is adjustable so that the jet can be directed at any inclination between 15 and 90 on the horizontal, but preferably between 30 and 75, while the distance between the nozzle and the metal and / or slag should be between 1 inch and 20 inches - and preferably between 4 inches and 12 inches.
As the volumes of slag and metal increase (the latter as a result of the addition of the scrap) the level of the metal moves and the nozzle is constructed so that it is adjustable so that it can be held at. a more or less constant distance from the metal bath.
, The orifice of the nozzle may be of a shape other than the circular shape; it can for example be rectangular or flattened if this is necessary.
The nozzle can be protected against projections or foam
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slag or metal by means of a refractory metal tube or by a refractory plastic casing. The nozzle and tube are preferably constructed of a material which resists oxidation, which may be a metallic or ceramic material.
Several nozzles can be used simultaneously and conveniently located in the furnace and, if desired, each of them can receive vibratory movement so as to cover a larger portion of the bath surface.
The jet is used to circulate and stir the metal and the slag, which is useful if nickel or molybdenum alloys are to be added, and which promotes uniformity of composition and temperature. throughout the bath.
The process can be employed for the refining of metals other than iron, for example mixtures of molten sulphides which are known as mattes and, for example, copper-iron sulphides or copper-nickel-iron sulphides. , in which 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, a hearth furnace or a Bessemer converter, acid or basic, can be used to preheat the metal; that is, the oxidizing jet (or oxidizing jets) is used to refine the metal. In the case of the hearth furnace, the metal can be finished by removing the jet and then using the normal hearth refining process.
Alternatively, the normal electrical process can be employed to melt the feed, after which high velocity oxidizing jets, having the composition specified above, are blown into the metal to perform the main refining and then refining operations. , the final deoxidation and desulfurization can be carried out in the normal manner in the electric furnace.
The present invention would be carried out in conjunction with the use of the normal hearth furnace, not so much in order to improve the quality of the steel, but in order to make the process cheaper. Thus, the time taken by the process of conversion on hearth can be very appreciably reduced by introducing nozzles through the loading doors or through the rear wall of the furnace, nozzles which project at a high speed, an oxidizing gas, of the specified composition, in the metal bath, while the normal hearth process is being carried out.
In the following claims, when it comes to spraying a jet of oxidizing fluid into the molten metal, this expression includes the case where the jet actually strikes the slag which is on the surface of the molten metal. and acts on the metal by passing through the slag to reach the metal and renewing the slag so that it regains or increases its ability to act on the metal.
CLAIMS.
1. Process for refining molten metal and alloys by spraying, through a nozzle located at a certain distance above the surface of the metal, an oxidizing fluid in the metal with a speed such that a sufficient proportion fluid penetrates into the metal to react there with the oxidizable impurities contained in the metal and remove the impurities, characterized in that the fluid used does not contain more than 30% nitrogen and contains between 70% and 98% d 'oxygen.