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PROCEDE D'ELABORATION D'ACIER PAR CONVERSION.
La présente invention est relative à un procédé d'élaboration d'acier par conversion Bessemer basique de fonte phosphoreuse, dans lequel on recouvre le bain des éléments constitutifs d'une première scorie dé- phosphorante, on insuffle dans le bain un mélange gazeux oxydant, on enlè- ve la scorie phosphatée formée, on recouvre le bain des éléments constitu- tifs d'une deuxième scbrie déphosphorante, on insuffle à nouveau dans le bain un mélange gazeux oxydant jusqu'à obtention de la-teneur désirée en phosphore et on enlevé la deuxième scorie formée.
Dans les conversions effectuées par insufflation d'air ou d'air enrichi en oxygène, on s'efforce, conformément aux epseignements de la bonne pratique, à travailler aussi froid que possible, c'est-à-dire, à maintenir à tout moment le bain à la température minimum compatible avec l'obtention, en fin de conversion, de la température suffisante pour per- mettre une coulée satisfaisante en lingotières.
Ce mode de travail est imposé par le désir d'abaisser autant que possible la teneur en phosphore, en azote et en oxygène de l'acier pro- duit. Mais les teneurs réalisées restent sensiblement plus fortes que cel- les qu'on obtient par le procédé Martin. ,
On sait que pour obtenir de l'acier extra doux à très faible teneur en phosphore,. on utilise deux scories déphosphorantes au cours d'm e conversion à l'air ou à l'air enrichi .en oxygène. Dans certaines Variantes, on remplace le soufflage à l'air, en tout ou en partie, par, un soufflage ' à l'aide d'un mélange de gaz contenant de l'oxygène et de l'anhydride car- bonique ou de la vapeur d'eau.
Dans toutes les variantes de ce procédé utilisant deux scorie s déphosphorantes où l'on prolonge le soufflage du bain au contact de la pre- mière scorie jusqu'à ce que la teneur en phosphore se soit abaissée à moins
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de 0,1%, le poids de la seconde scorie est relativement faible et le der- nier soufflage, au contact de la seconde scorie, est très bref.
Dans ces conditions, l'action déphosphorante de cette seconde scorie est relativement faible et on ne réalise pas régulièrement l'abais- sement escompté de la teneur en phosphore.
Si, pour améliorer la déphosphoration, on augmentait sensible- ment le poids des matières enfournées pour constituer la seconde scorie, on provoquerait un refroidissement considérable du bain. On devrait, pour compenser ce refroidissement, porter le bain, avant l'enlèvement de la pre- mière scorie, à une température notablement plus élevée que dans les con- versions à l'aide (Tune seule scorie., Ceci aurait comme conséquence de gê- ner la première déphosphoration et de provoquer une forte oxydation du bain. On serait donc alors obligé d'utiliser une proportion plus importan- te de désoxydants coûteux tels que le ferro-manganèse et on risquerait d'ob- tenir des lingots contenant une proportion importante d'inclusions non mé- talliques .
Le procédé suivant la présente invention a pour but de permet- tre d'obtenir régulièrement par conversion et sans nécessiter une oxydation excessive du bain, de l'acier extra doux à bonne température de coulée et ayant une teneur en phosphore du même ordre de grandeur que celle obtenue par le procédé Martin, c'est-à-dire une valeur au maximum égale à 0,04%.
Dans ce but, suivant l'invention, on effectue la conversion à l'aide de deux scories successives, on enlève la première sqorie lorsque la teneur en phosphore du bain métallique a été amenée à une valeur compri- se entre 0,6% et 0,2% (de préférence entre 0,5% et 0,3%) et on conduit la conversion de telle manière que la température du bain, mesurée immédiate- ment après l'enlèvement de la première scorie, soit comprise entre 1580 C et 1660 C.
Il est avantageux de fixer la température que le bain doit avoir après l'enlèvement''de la première scorie, d'après la température qu'on désire atteindre à la fin de la conversion. De préférence, on ef- fectue la conversion de telle manière que, immédiatement après le premier décrassage, la température du bain soit comprise entre la température à atteindre à la fin de la conversion et une température supérieure de 30 C à 40 C à cette température de fin de conversion.
En arrêtant le soufflage du bain au contact de la première scorie alors que le bain contient encore une notable proportion de phos- phore, il devient¯possible de porter ce bain, avant l'enfournement de la deuxième scorie, à une température suffisamment élevée pour compenser les pertes de chaleur à résulter de l'emploi d'une seconde scorie de masse relativement importante, sans que se produise une oxydation excessive du bain. '
La teneur en phosphore du bain et sa température après le premier décrassage sont déterminées par les méthodes connues (par exemple, estimation de la quantité d'oxygène soufflé dans le bain, examen de la cassure ou analyse rapide d'une éprouvette de métal, pour la détermina- tion de la teneur en phosphore ; du pyromètre optique ou du pyromè- tre à immersion, pour la détermination de la température).
Après le premier décrassage, l'opérateur fixe le poids de ma- tières scorifiantes à ajouter d'après la teneur réelle en phosphore et la température du bain et eu égard à la température de coulée désirée, le rapport entre le poids' de matières enfournées et la teneur en phosphore du bain étant d'autant plus élevé que la température du bain est ellemême plus élevée.
La proportion de chaux enfournée pour constituer la première scorie est substantiellement la même que pour une conversion à l'air at- mosphérique. Elle vaut entre 6 et 8 fois le poids de phosphore a éliminer
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du bain par la première scorie.
Après le premier décrassagé, on enfourne, en'une fois ou en plu- sieurs fois, les matières destinées à former la seconde scorie, par exemple, de la chaux avec éventuellement du carbonate de soude, du carbonate de chaux, des oxydes de fer (battitures, minerai) et des fondants tels le spath-fluor et lalumine, ces matières étant en quantités telles que le poids d'oxydes basiques (CaO et éventuellement Na2O) quelles contiennent soit compris en- tre 7 et 12 fois le poids de phosphore à incorporer dans la seconde scorie (de préférence entre 8 et 10 fois ce poids).
On peut réaliser le procédé suivant l'invention en.utilisant les mêmes fontes et éventuellement les mêmes additions de mitrailles que dans les conversions normales à l'air atmosphérique. Les éléments destinés à former la première scorie peuvent, comme dans les conversions à l'air atmosphérique, être introduits dans le convertisseur, soit en totalité au début de la conversion, soit en partie au début de la conversion et en par- tie pendant celle-ci.
Dans le procédé suivant l'invention, pour que le bain métalli- que atteigne une température comprise entre 1580 C et 1660 C, après que la première scorie a été enlevée à un moment où la teneur en phosphore a été amenée à une valeur comprise entre 0,6% et 0,2%, on conduit l'opération de telle manière qu'à ce moment, chaque tonne de métal du bain ait accumulé un excédent de chaleur par rapport à la quantité de chaleur que contien- drait une tonne de métal du bain,au même stade d'avancement de l'affina- ge, dans une conversion normale effectuée par soufflage à l'air atmosphé- rique à partir d'une même charge de fonte (même composition initiale et même température initiale que celle de la charge traitée dans le procédé suivant l'invention) à laquellè on aurait ajouté la quantité de chaux,
de mitrailles et éventuellement d'oxydes de fer nécessaire pour atteindre, en fin d'opération, la même température de collée que celle µ#,réaliser dans la conversion effectuée suivant l'invention.
Cet excédent de chaleur doit, au minimum, être suffisant pour-compenser : a) le refroidissement du bain métallique dû au décrassage in- termédiaire ; b) la consommation supplémentaire de chaleur due au chauffage d'une quantité de matières scorifiantes supérieure à celle qui serait uti- lisée dans une conversion normale par soufflage à l'air atmosphérique d'une même fonte, c'est-à-dire supérieure à environ six fois le poids de phpspho- re fixé par l'ensemble des deux scories.
La perte calorifique due au premier décrassage dépend des conditions dans lesquelles on opère réellement et peut varier suivant les dimensions du convertisseur. Pour la généralité des cas de la pratique ac- tuelle, on obtiendra le résultat visé en donnant à Q une valeur qui, expri- mée en grandes Calories, satisfasse à la relation : 5.000 + 550 (k - 6p) + 1.000 e < Q < 12.000 + 550 (k - 6 p) + 1.000 e où : k désigne le poids, en kilogrammes par tonne de métal, de la chaux et e le poids, en kilogrammes par tonne de métal, des autres constituants des matières scorifiantes à enfourner pour constituer la*seconde scorie; la teneur en phosphore du bain, exprimée en millièmes du poids du métal, après l'enlèvement de la première scorie.
Si l'on vise principalement l'abaissement de la teneur en phosphore de l'acier sans chercher à atteindre une très basse teneur en azo- te, la conversion peut être effectuée tout entière par soufflage à l'air enrichi en oxygène, la concentration en oxygène étant choisie de telle ma- nière que l'économie réalisée sur réchauffement du vent par rapport à une conversion à l'air atmosphérique soit précisément égale au boni calorifique Q à réaliser.
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Si, en même temps qu'une faible teneur-en phosphore, on désire obtenir une faible teneur en azote, il faut substituer au soufflage'unique à l'air enrichi en oxygène qui précède le premier décrassage,9' un soufflage en deux phases dont la première est un soufflage à l'air'enrichi'en oxygé- ne et dont la seconde est un soufflage à l'aide d'un mélange pauvre en azo- te, à base d'oxygène et de gaz à décomposition endothermique, le passage de la première phase à la seconde phase étant effectué lorsque la teneur en carbone a été abaissée jusqu'à moins de 2,5%
Pour apprécier la teneur du bain en carbone, on estime la quantité d'oxygène introduite dans le bain depuis le début de la conversion.
L'estimation de la quantité d'oxygène introduite dans le bain peut se faire aisément par les procédés connus tels que la mesure de la durée du souffla- ge ou l'emploi de débits-mètres.
Dans le présent mémoire, quand il est question d'un mélange "pauvre en azote" à base d'oxygène et d'un gaz oxydant à décomposition en- dothermique, il faut comprendre que la concentration en azote de ce mélan- ge est inférieure à 10% du volume total. De préférence, le volume d'azo- te est en outre inférieur à 5% du volume du gaz à décomposition endother- mique. Celui-ci peut être constitué par de l'anhydride carbonique et,/ou de la vapeur d'eau.
Ce procédé d'obtention dacier à faible teneur en azote, conte- nant, par exemple, au maximum 0,004% d'azote, par soufflage du bain en deux phases, a été proposé antérieurement par le demandeur. Mais dans les con- ditions où on opérait, la teneur du bain en phosphore restait relativement élevée parce que la quantité de chaleur enlevée au bain par le mélange con- tenant du gaz oxydant à décomposition endothermique était trop importante pour qu'on puisse utiliser une scorie suffisamment riche en chaux pour par- venir à abaisser la teneur en phosphore à une'valeur sensiblement en-dessous de 0,05%, sans avoir à oxyder fortement le bain ou à terminer la conversion à une température inférieure à la température optimum de coulée de l'acier produit.
A plus forte raison, il semblait donc naturel de ne pas asso- cier ce procédé au procédé d'obtention d'acier à faible teneur en phosphore par l'emploi de deux scories déphosphorantes, toutes-deux de masse relati- vement importante, et décrassage intermédiaire.
Suivant une variante avantageuse du procédé suivant l'inven- tion, qui permet de produire régulièrement un bain d'acier extra doux à bonne température de coulée, ayant à la fois une teneur en azote au maxi- mum égale à 0,004%, une teneur en phosphore au maximum égale à 0,04% et une teneur normale en oxygène, on crée l'excédent calorifique ± susdit'en donnant aux deux mélanges gazeux oxydants insufflés successivement dans le bain pendant les deux premières phases de soufflage, des compositions re- latives telles que la quantité de chaleur enlevée au bain par tonne de fon- te pour l'échauffement de ces mélanges et pour la dissociation de la par- tie des gaz à dissociation endothermique qui se dissocie effectivement, soit inférieure de Q calories à la quantité de chaleur qu'aurait enlevée au bain, par tonne de fonte,
la masse d'air atmosphérique qu'il aurait fal- lu insuffler dans le bain pour l'amener@de sa composition initiale jusqu'à la composition atteinte à la fin de la deuxième phase susdite.
Par ce moyen, on peut réaliser aisément toutes les valeurs de comprises entre 5.000 et 25.000 Calories.
Pour fournir au bain la chaleur nécessaire pour que sa tempé- rature immédiatement -après l'enlèvement de la première scorie, soit compri- se entre 1580 C et 1660 C, l'enlèvement de la première scorie étant effec- tué lorsque la teneur en phosphore du métal a été amenée à une valeur com- prise entre 0,6% et 0,2%, on peut évidemment conduire la conversion en agissant autrement que sur la composition des mélanges à insuffler dans le bain pendant les deux premières phases.
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On peut, par exemple,utiliser une fonte physiquement ou chimi=
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quement plus chaude que celle utilisée pour les'conversions normales à'i'air atmosphérique, ofest-a-dire enfourner dans le convertisseur de'la fonte'à une température sensiblement plus élevée que la température d'nòûrnement, habituelle ou utiliser une fonte contenant plus de siliciumou de phosphoré
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que pour la conversion normale à Pair atmosphérique. On peut aussi ùtlli- ser-une fonte physiquement et chimiquement plus chaude.
De même, on peut réduire pu supprimer les'mitrailles ajoutées au bain ou'bien chauffer au moins une partie des éléments constitutifs des deux scories.. - - 'Lorsqu'on préchauffe les éléments constitutifs de la deuxième
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scorie, on peut se contenter de moins chauffer le bain avant 1-leùlèvem-ent de la première scorie, la température à réaliser immédiatement après énlè- vement de cette sqorie pouvant alors se situer vers la limite inférieure
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du domaine de 15800C à 1660 c indiqué plus haut.
.Il est à noter que le préchauffage d'au moins une partie 'des éléments constitutifs des scories, par exemple de la chaux, peut présenter un avantage particulier surtout si les éléments ainsi préchauffés sont
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portés au minimum à 800aCo En effet, le préchauffage de ces éléments dans ces conditions a comme effet de faciliter la formation, en très peu dé temps, d'une scorie liquide capable de réagir avec l'anhydride phosphori- que formé par la combustion du phosphore. Cela est particulièrement utile pour la seconde scorie dont la durée de contact avec le bain métallique est toujours relativement courte.
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00est pour la même raison que l'emploi de fondants parmi les éléments constitutifs de la seconde scorie est également d'un grand inté- rêt.
On peut combiner les diverses variantes du procédé dans le but, soit d'obtenir, en cas de besoin, un excédent calorifique supérieur à 25.000 Calories par tonne, soit de réduire dans la constitution de l'ex-
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cédent désiré, la part à provenir de l'économie à réaliser sur l'échauf- fement des gaz insufflés. On peut, par exemple, pour éviter d'avoir à employer, pour le soufflage durant les deux premières phases, des mélanges' gazeux à très haute teneur en oxygène libre, circonscrire entre 5.000 et 15.000 Calories le boni calorifique à réaliser sur les chaleurs absorbées par les gaz de soufflage.
Le complément éventuel de Calories pour attein- dre le total désiré ± peut alors être obtenu en modifiant la composition de la charge, soit par suppression d'une partie ou de là totalité des ad-
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ditions refroidissantes (mitrailles, minerai, battitures) qui, dans la conversion normale par 1?air atmosphérique d'une charge identique de fonte,
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auraiént été enfournées en cours d'opération, soit par addition au bain d'une quantité appropriée d'éléments thermogènes tels que silicium, calcium, aluminium, phosphore, ces éléments étant ajoutés isolément ou mélangés sous forme d'alliages, soit en préchauffant tout ou partie des matières enfournées pour constituer les scories.
Dans toutes ces modalités, la première phase de la conversion dure jusqu'à ce que la teneur en carbone ait été abaissée jusqu'à moins de 2,5% et, de préférence, jusqu'à ce'que cette teneur ait atteint une valeur comprise entre 1,5% et 0,5%.
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Cette première phase de la conversion est suivie d'une deuxiè- me phase pendant-laquelle on insuffle un mélange gazeux oxydant pauvre en azote, dont les éléments oxydants sont 0 et CO2 ou bien 02 et H 0 ou bien encore 0, .9 CO 2 et H 2 o.
La substitution d'un mélange à l'autre est effectuée d'autant plus tôt que la teneur finale en azote, de l'acier, doit être plus faible.
Lorsque la seconde phase de,.soufflage de cette variante du procédé suivant l'invention est terminée, on abaisse le convertisseur pour éliminer soigneusement la scorie qui a été formée. Ensuite, on enfourne
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en-une ou plusieurs fois, les matières destinées à fixer dans une deuxième scorie le phosphore restant à éliminer du bain.
On peut, de manière connue en soi, utiliser à cet effet soit de la chaux, soit un mélange de chaux et de carbonate de soude et/ou de carbo- nate de chaux. Eventuellement, on peut aussi ajouter une certaine quanti- té d'oxydes de fer (par exemple sous forme de minerai et de battitures) et aussi du fluorure de calcium et de l'alumine comme fondants.
Dans le procédé suivant l'invention, le poids de matières sco- rifiantes introduites pour constituer la seconde scorie est tel que la som- me des poids de CaO et de Na 2 0 qu'elles contiennent soit compris entre 7 et 12 fois le poids du phosphore restant encore dans le bain. De préférm- ce, il est compris entre 8 et 10 fois ce dernier poids.
Pendant que le convertisseur est abaissé après l'enlèvement de la première scorie, on peut facilement mesurer la température du bain et apprécier la teneur en phosphore. L'opérateur peut donc régler la tem- pérature finale du bain en ajustant les quantités dé chaux et des autres constituants de la deuxième scorie à enfourner en une ou plusieurs fois.
Si on appelle po la teneur en phosphore du bain ainsi déterminée et exprimée en milliè- mes du poids de métal, t le nombre de degrés centigrades dont la température du bain dépasse la température que l'on veut atteindre en fin de soufflage (dans la formule ci-dessous t est affecté du signe - si la température mesurée est infé- rieure à la température à atteindre à la fin de la conversion); k le poids de chaux à enfourner par tonne de métal; e le poids en kilogrammes, par tonne de métal, des autres matières scori- fiantes à ajouter à la chaux;
le fondeur choisira les valeurs de k et e de manière à satisfaire substan- tiellement à la relation
550 k + 1.000 e = 5.000 po + 160 to
On relève ensuite le convertisseur et on souffle dans le bain un gaz oxydant jusqu'à ce que la teneur en phosphore soit abaissée jusqu'à la valeur désirée. On peut, dans le cas de la variante permettant d'obte- nir un acier à faible teneur en azote et à faible teneur en phosphore, uti- liser, dans cette dernière phase de soufflage, soit un mélange analogue à celui employé pendant la deuxième phase, soit un mélange analogue à celui employé pendant la première phase, soit successivement l'un ou l'autre.
Dans ces dernières variantes, la durée d'insufflation du mélange analogue à celui utilisé pendant la première phase ne peut pas dépasser une demi-mi- nute, sinon la concentration finale du bain, en azotene serait plus as- sez faible. L'utilisation de ce dernier mélange permet d'enfourner un peu plus de matières scorifiantes, ce qui améliore la déphosphoration.
Pour pouvoir couler l'acier, il ne reste plus qu'à enlever la deuxième scorie.
Pour économiser de l'oxygène, on peut.\! pendant les manoeuvres du convertisseur, utiliser, comme vent, de l'air ordinaire.
La présente invention a également comme objet un procédé d'é- laboration d'acier par conversion de fonte Bessemer phosphorée, qui présen- te de grandes analogues avec la procédé dont il a été question ci-avant à propos de l'élaboration d'acier par conversion Bessemer basique de fonte phosphoreuse.
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Dans le présent mémoire., il faut comprendre par "fonte Bessemer phosphorée!! une fonte contenant plus de 1% de silicium et une teneur en phosphore de quelques dixièmes pour cent au maximum.
Dans le procédé suivant l'invention, comme dans le procédé connu de conversion Bessemer basique d'une fonte phosphoreuse par emploi de deux scories et décrassage intermédiaire, on recouvre le bain des élé- ments constitutifs d"une première scorie, on insuffle dans le bain un mé- lange gazeux oxydant, on enlève la scorie formée, on recouvre le bain des éléments constitutifs d'une deuxième scorie, on insuffle à nouveau dans le bain un mélange gazeux oxydant jusqu'à obtention de la teneur désirée en phosphore et on enlevé la deuxième scorie formée.
Mais au lieu de traiter de la fonte phosphoreuse contenant environ 2% de phosphore dans un convertisseur à revêtement basique,on traite dans un convertisseur à revêtement non acide de la fonte Bessemer phosphorée. On effectue la conversion en présence de matières capables de former,avec la silice provenant de l'oxydation du silicium du bain, une scorie suffisamment peu acide que pour éviter une attaqué excessive du revêtement réfractaire du convertisseur. On enlève cette scorie à un mo- ment où la teneur du bain en silicium a été abaissée en-dessous de 0,1% mais où la teneur en carbone est encore qumoins égale à 2%. En outre, on effectue la conversion de manière à amener le bain à une température qui, mesurée immédiatement après l'enlèvement de la première scorie, soit com- prise entre 1580 C et 1660 C.
On ajoute ensuite au bain les éléments con- stitutifs d'une scorie déphosphorante capable d'absorber le phosphore lors- qu'on continue à souffler un mélange oxydant jusqu'à obtention de la te- neur désirée en phosphore.
En d'autres termes, au lieu de traiter une fonte Bessemer phos- phorée dans un convertisseur à revêtement acide, on la traite dans un con- vertisseur à revêtement basique ou neutre et on neutralise la silice formée par oxydation du silicium en enfournant dès le début une quantité de ma- tières scorifiantes capables de former rapidement un laitier basique. On emploie avantageusement à cet effet un mélange de chaux et d'oxydes de fer, principalement d'oxyde ferrique Fe2O3, celui-ci se présentant par exemple sous forme de minerai de fer ou de battitures. La composition de ce mêlai - ge est avantageusement comprise entre une partie en poids de Fe203 pour deux parties de CaO et une partie en poids de Fe203 pour une partie de CaO.
La quantité du mélange à ajouter par tonne de fonte deit être comprise entre 10 et 20 fois le pourcentage de silicium dans la fonte.
Comme dans le cas d9une conversion basique de fonte phospho- reuse, il est avantageux de fixer la température que le bain doit avoir après enlèvement de la première scorie, diaprés la température qu'on désire obtenir à la fin de la conversion.
De préférence,!) on conduit le soufflage de manière qu'immédia- tement après l'enlèvement de la première scorie, la température du bain soit comprise entre la température à atteindre à la fin de la conversion et une température supérieure de 30 à 40 C à cette température de fin de conversion.
Dans une première variante,les caractéristiques de la fonte (composition chimique et température) sont substantiellement les mêmes que si la fonte devait être convertie à la manière habituelle par"soufflage d'air atmosphérique et sans addition d'éléments constitutifs d'une scorie.
On commence alors le soufflage en utilisant de l'air enrichi en oxygène contenant 1 mole d'oxygène pour a molos d'azote, la concentra- tion en oxygène 100/1+a étant inférieure à 45% et, de préférence, comprise en- tre 30 et 40%.
Lorsque la teneur en silicium du bain s'est abaissée en-desr
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sous de 0,1% mais que la teneur en carbone du bain est encore au moins éga- le à 2%, on abaisse le convertisseur, on évacue la scorie et on enfourne, en une ou plusieurs fois, les matières destinées à former une scorie dé-
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phosphorante(;c3aux avec éventuellement addition de carbonate de soude, de carbonate de chaux, d'oxydes de fer, de fondant, d'oxydes-basiques CaO et éventuellement Na20) en quantité telle que le poids soit compris entre 7 et 12 fois le poids de phosphore à scorifier (de préférence entre 8 et 10 fois).
On redresse le convertisseur et on souffle jusqu'à obtention de la teneur désirée en phosphore.
Si l'on veut réaliser un acier à faible teneur en azote, on substitue au soufflage à Pair le soufflage par un mélange gazeux oxydant
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pauvre en azote à base d'oxygène et d'un gaz à décomposition endothermiqw , lorsque la teneur en Ç du bain s'est abaissée jusqu'à moins de 2,5% et, de préférence, avant qu'elle n'atteigne 1,5%.
Pour que la température du bain, immédiatement après l'enlè-
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vement de la première scorie, soit comprise entre 15800C et 166000, il faut réaliser, par rapport à une conversion normale à l'air et par tonne de fonte, un boni calorifique g qui est exprime par la double inégalité : 5.000 + 550 (kl + k - 6p) + 1.000 e Q < 12.000 + 550 (kl + k - 6p) + 1.000 e dans laquelle k1 et k désignent, par tonne de fonte, le nombre de kilogram- mes de chaux intervenant dans la constitution respectivement de la première et de la deuxième scorie; désigne, par tonne de fonte, le nombre de kilo-
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grammes de phosphore à éliminera désigne, par tonne de fonte, le nombre de kilogrammes de matières, autres que la chaux et enfournées avec elle, pour constituer les deux scories.
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Ce boni calorifique g est réalisé, diaprés l'invention, en choisissant de telle manière la composition des mélanges oxydants insufflés,' que la quantité de chaleur enlevée au bain pour l'échauffement de ces gaz
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et pour la dissociation de la partie des gaz à décomposition endothermique qui se dissocie effectivement soit inférieure de Q Scieries par tonne de fonte, à la quantité de chaleur qu'aurait enlevée au bain la masse d'air atmosphérique qu'il aurait fallu insuffler dans le bain, par tonne de
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fonte, pour l9âmener de sa composition initiale jusqu2à la composition at- teinte à la fin de la deuxième phase susdite. En agissant de la sorte, on peut aisément réaliser un boni calorifique compris entre 5.000 et 25.000 Calories par tonne de fonte.
Au lieu d'agir uniquement sur la composition des mélanges oxy- dants à insuffler dans le bain, on peut, pour réaliser le supplément de Ca-
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lories'13, agir sur les autres éléments qui influencent la température du bain. On peut notamment employer une fonte physiquement et/ou chimique- ment plus chaude que celle utilisée pour la conversion à l'air. On peut aussi ajouter à la charge des éléments thermogènes tels que le silicium, l'aluminium, le phosphore. On peut également préchauffer certaines matiè- res ajoutées au bain notamment la chaux, et en particulier la chaux en- trant dans la composition de la deuxième scorie.
Par la mise en oeuvre de ces moyens, on peut avantageusement limiter à une valeur comprise entre 5.000 et 15.000 Calories, par tonne de fonte, l'économie de chaleur à obtenir sur réchauffement des gaz insuf- flés pour réaliser, au total, le boni calorifique désiré.
D'une manière semblable à ce qui se passe dans le cas du souf- flage final pour le procédé Bessemer basique suivant l'invention, le chauf- fage des éléments constitutifs de la deuxième scorie facilite la formaticn de celle-ci et, par conséquent, l'élimination rapide du phosphore. De pré-
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férence, on porte à au moins 8000C lep éléments constitutifs de la deuxième scorie.
Les valeurs numériques données dans le présent mémoire doivent être considérées comme des valeurs idéales convenant à la'généralité des cas qui peuvent se présenter .en'pratique malgré la très grande diversité
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des condltibues de travail qui se présentant dans les aciéries où on ap- plique la conversion Bessemer basique mais il va de soi, qu'en cas de be- ' soin, on peut s'écarter légèrement de ces valeurs pour les adapter aux cir- constances particulières où l'on se trouve, sans que le principe du procé- dé soit compromis;.
Tout métallurgiste, par un calcul préalable et en tenant compte de la chaleur d'échauffement des gaz qui traversent le bain, de la chaleur absorbée par la décomposition endothermique de certains de ces gaz,'du degré de dissociation de ceux-ci et de la température du bain, sait déter- miner les compositions à donner aux mélanges à insuffler jusqu'au moment
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du premier décrassage dans le procédé suivant l invention, pour réaliser, par rapport au soufflage à Pair, l'excédent calorifique désiré.
Néanmoins, nous donnons ci-après quelques exemples de réalisa- tion du procédé suivant l'invention dans lesquels les calculs en question sont donnés.
Pour faciliter la compréhension de ces exemples, nous repro- duiso dans le tableau ci-dessous quelques valeurs extraites des tables thermodynamiques indiquant les 1 quantités de chaleur à fournir à une mole de divers gaz pour les porter à une température déterminée.- 'Le tableau donne les quantités de chaleur en grandes Calories à fournir à une molécule-gramme de divers gaz pour les porter de 100 C à
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--------------------'ii-----------'ii-----------1I Il Il 1500 il 155Q 1 1600 il JP5 1 'I----------------------------------------ii-----------ii----------'1 'Tt oxygène 11,22 ," 11,64 It 12,06 Il 12,48 Il fi 11 11 il Azote Il 10,83 " 11,23 Il,64 11 12,04 Il fi ît Il fi il Il Anhydride canboni- il 16,68 Il 1793 " 17,93.
Il 18,56 fi n que si " 11 fi fi if fi fi fi Il Vapeur d9 eau 13,86 Il 14,42 " 14,98 fi 15,54 II 0 il Il il fi II¯¯¯¯¯¯-------------------------¯U¯---------¯U¯---------¯U¯----¯¯¯¯¯¯II
EMI10.3
<tb>
<tb>
Chaleurs de dissociation : 1 mole CO2 = CO + 0 - 67,65 Calories
EMI10.4
1 mole H 20 =H 2 + 0 - 57,8 Calories
De ces données, on peut déduire la quantité de chaleur à four- nir à la masse d'un mélange de ces gaz, susceptible de fournir au bain un mètre cube T.P.N. (la notation T.P.N. signifie : mesuré sous température et pression normales) d'oxygène réactif pour échauffer la dite masse depuis
EMI10.5
100 C jusque à la- température du bain.
A titre d'exemple, on admettra pour la première phase une tem- pérature moyenne du bain de 1300 C, pour la seconde phase, une température
EMI10.6
moyenne du bain de 155000, pour l'ensemble de ces deux phases, dans une conversion à l'air ordinaire, une température moyenne du bain de 1450oc.
Si le mélange considéré est de l'air enrichi en oxygène conte- nant a moles d'azote pour une mole d'oxygène, la masse de mélange à insuf- fler dans le bain pour lui fournir un mètre cube T.P.N. d'oxygène contient:
EMI10.7
44,6 (1 mole de 0 + a moles de N ) et la quantité de chaleur qu'elle prélèvera au bain pour se mettre à la mê- me température que celui-ci sera :
EMI10.8
- si la température du bain est de 13000e : q1 = 44,6 (9,55 + 9,22a) - si la température du bain est de 14500C
EMI10.9
q2 = 44,6 (10,81 + 10,4va) - si la température du bain est de 1550 C :
EMI10.10
q3 = 4496 (Il,6/. + 11,23a)
Si le mélange considéré est formé d'oxygène, d'azote et d'an- hydride carbonique dans la proportion de 1 mole d'oxygène pour moles d'azote et m moles d'anhydride carbonique et si l'on admet, ce qui est pro- che de la réalité, qu'au contact de fer fondu, 80% en moyenne de l'anhy- dride carbonique contenu dans le mélange se dissocie en oxygène et en oxy- de de carbone, la quantité de chaleur prélevée au bain par la masse de mé- lange à insuffler pour fournir au bain 1 m3 T.P.N. d'oxygène actif est,
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en supposant que la température du bain soit de 1550 C :
q4 = 44,6 11,64 + (17,3m + 0,8m x/1 + 0,4M 67.65) + 11,23a q4 = 44,0 1 + 0,4m = 519 + 3.185m + 501a
1 + 0,4m
Dans les mêmes conditions, un mélange formé d'oxygène, de va-- peur d'eau etdd'azote, dans la proportion de 1 mole d'oxygène pour a moles d'azote et n moles de vapeur d'eau, prélèverait au bain par m3 T.P.N. d'oxy- gène actif fourni à celui-ci, une quantité de.chaleur : =44,6 Il.64 + (14,42n + 0,8n x 57.8) + 11,23a q5 = 44,6 1 + 0,4n =519 + 2705n + 501a
1 + 0,4n EXEMPLE I.-
Supposons' qu'on doive traiter 15.000 kilogrammes de fonte ayant la composition chimique suivante exprimée en % : C = 3,4; Si = 0,4; Mn = 0.40; P = 1,9.
Elle est à une température de 11800C quand elle est enfournée dans le convertisseur. On désire la transformer en acier extra doux qu'on doit pouvoir couler à la température optimum, soit environ 1610 C.
Pour convertir cette fonte en acier par soufflage à l'air at- mosphérique, on y ajouterait par exemple 2.000 kilogrammes de chaux et on admet que pour atteindre à la fin de la conversion la température désirée, soit 1610 C, il faudrait ajouter au bain en cours d'opération, 500 kilo- grammes de mitrailles.
On décide d'effectuer la conversion suivant l'invention en soufflant d'àbord dans le bain, de l'air enrichi en oxygène jusqu'à ce que la teneur en carbone soit abaissée à 1%, puis un mélange dont la composi- tion en volumes soit de un volume d'oxygène pour un volume d'anhydride carbonique et 0,05 volume d'azote, ce mélange étant insufflé jusqu'à ce que la teneur en phosphore soit abaissée à 0,5% ou en d'autres termes 5% .
Pour constituer la première scorie, on enfourne au début de l'opération 1500 kilogrammes de chaux (soit substantiellement 7 kilogrammes de chaux par kilogramme de phosphore à fixer dans la première scorie).
Pour constituer la seconde scorie, on enfourne, après décras- sage, à la fin de la deuxième phase de soufflage, 750 kilogrammes de chaux (soit substantiellement 10 kilogrammes de chaux par kilogramme de phospho- re à fixer dans la seconde scorie).
Au total, on enfourne 2.250 kilogrammes de chaux soit 250 ki- logrammes de.plus, que pour la conversion normale à l'air.
En cours de conversion, on ajoutera là charge 500 kilogrammes de mitrailles comme dans la conversion à l'air :La quantité de chaleur absorbée pour l'échauffement du supplé- ment de chaux enfournée est, par tonne de fonte, de
250/15 x 550 Calories = 9a150 Calories.'
Si l'on''admet que le décrassage entraîne pour le bain métal- lique une perte de chaleur de 8.000 Calories, par tonne, le mali calorifi- que par rapport à la conversion'normale à l'air est de :
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9. 150 + 8.000 = 17.150 Calories par tonne de fonte..
Ce mali sera compensé dans le procédé suivant l'invention par une économie réalisée sur la quantité de chaleur absorbée par les gaz oxy- dants soufflés pendant les deux premières phases.
Si la fonte enfournée était convertie en acier par soufflage à l'air atmosphérique, la masse d'air à insuffler pour fournir au bain les 52,5 m3 T.P.N. d'oxygène, nécessaires pour abaisser à 0,5% la teneur en phosphore du métal, aurait, par son échauffement (én moyenné jusqu'à 1450 C) prélevé au bain une quantité de chaleur qui, par tonne de fonte, serait : Q1 = 52,5 x q2 = 52,5 x 44,6 (10,81 + 10,42 x 3,8) = 117.800 Calories environ.
Dans la conversion réalisée suivant l'invention, on introduit dans le bain, par tonne de fonte, pendant la première phase 28 m T. P.N. d'oxygène, par soufflage d'air enrichi en oxygène dont la teneur en oxygène doit etre déterminée pour que, après introduction pendant la seconde phase, de 24,5 m3 T.P.N. d'oxygène, par soufflage du mélange pauvre en azote, de composition'en volumes : ( 1 02 + 1 CO2 + 0,05 N2) le bain contienne, par tonne de métal, 17.150 Ca- lories de plus que s'il avait été amené à la même composition par souffla- ge d'air atmosphérique au contact de la première scorie.
Les quantités de chaleur enlevées au bain par les gaz insuf- flés et exprimées en Calories sont, par tonne de fonte, pour la première phase :
Q2 = 28 x q1 = 28 x 44,6 (9,55 + 9,22a) = 11.930 + 11.515a pour la'seconde phase :
Q3 = 24,5 q4
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;, 2L;; 519 + 3.1:4+ 0 .05 x 501 = 65 . 250.
1,4
Pour balancer le bilan calorifique de l'opération, il faut que le boni
Ql - (Q2 + Q3) réalisé sur les chaleurs d'échauffement des gaz soufflés compense le mali de 17. 150 Calories.
D'où la relation :
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117.800 - (11-930 + 11-5151 + 65.250) = 17.150 11.515a = 23.470 a = 23. 470/11@515 = 2,04
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- 11.515 - ' " La compositimde l'air enrichi en oxygène à utiliser pour le soufflage pendant la première phase est donc :
1 02 = 2,04 N2 ce qui correspond à une concentration en oxygène de
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100/@ = 33% environ.
EMI13.1
.3 ;04 enVlron.
Pour le soufflage finale on utilise un mélange de composition ; ( 1 02 + 1 CO2 + 0,05 N2).
EXEMPLE II.-
On opère dans les mêmes conditions que pour l'exemple'I, sauf que le mélange pauvre en azote,soufflé pendant la seconde phase a la dom- position (en volumes) :
EMI13.2
1 0 + 1,1 00 2 + 0,05 N 2
La quantité de chaleur prélevée au bain par la masse du dit mélange à insuffler pour fournir au bain 24,5 m3 T.P.N. d'oxygène réactif est, dans ce cas, par tonne de fonte, de
EMI13.3
Q93 = 24,5q, = 24,5 519 + 31g5 x 1.1 + 501 x 0.05 = 69.000 Calories envi-
1,44 orles env - ron.
Pour balancer le bilan calorifique, on doit avoir : 117.800 - (11.930 + 11.515a + 69.000) = 17.150 a = 19.720 1,71 a = @/11. 515 = 1,7
La composition de l'air enrichi en oxygène à utiliser pour le soufflage pendant la première phase est donc
1 O2 + 1,71 N2.
La concentration en oxygène de cet air est :
100 =37% environ.
EMI13.4
2,71 = 37 environ.
EXEMPLE III.-
On,opère dans les mêmes conditions que pour l'exemple I, sauf que 1 ) on réduit de 225 kilogrammes le poids de mitrailles enfournées (soit de 15 kilogrammes par tonne de fonte); 2 ) le mélange pauvre en azote utilisé pour le soufflage pendant la seconde phase a la composition
EMI13.5
1 0 + 1,2 00 + 0,05 N2e
Le non enfournement de 15 kilogrammes de mitrailles, par tonne de fonte, produit un boni calorifique de
15 x 360 = 5.400 Calories par tonne de fonte.'
Pour balancer le bilan calorifique, l'économie à réaliser sur la chaleur absorbée par les mélanges insufflés dans la conversion réalisée suivant l'invention, par rapport à la chaleur qui serait absorbée par l'air insufflé dans une conversion normale-â l'air atmosphérique, se réduit à 17.150 - 5.400 = 11.750 Calories par tonne.
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La quantité de chaleur prélevée au bain par la masse de mélan- ge insufflé pendant la seconde phase est, par tonne de fonte :
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Q" = 24.5 5 + 3I85 xl +,Ol x 0,05 ¯ 72.200 Calories. 1,48 ornes.
Pour balancer le bilan calorifique, on doit avoir : 117.800 - (11.930 + 11.515a + 72.200) = 11.750 a = 21.920 1,9 a 11.515
La composition de l'air enrichi en oxygène à utiliser pour le soufflage pendant la première phase est
1 O2 + 1,9 N2 .
La concentration en oxygène de cet air est :
100/2,90 = 34,5% environ.
EXEMPLE IV.-
On effectue la conversion dans les mêmes conditions que dans l'exemple III, sauf que, pendant la deuxième phase de soufflage, après l'en- lèvement de la première scorie, on utilise'un mélange oxydant de composi- tion :
1 O2 + 1,2 CO2 + 0,05 N2 au lieu du mélange
1 O2 + 1 CO2 + 0,05 N2 utilisé pour la phase finale de soufflage, dans l'exemple III.
La température moyenne du bain durant la dernière phase du soufflage étant de 1600 C, les quantités de chaleur prélevées au bain par m3 T.P.N. d'oxygène réactif sont respectivement : - pour le mélange de composition
1 O2 + 1,2 GO2 + 0,05 N2 :
EMI14.2
= 44 6. 12,06 + 1,2 x 17,93 + o,96 x 67,65 + o.o5 x 11,64 q6- = ' 1.48 = 2.995 Calories - pour le mélange de composition :
1 O2 = 1 CO2 + 0,05 N2 :
EMI14.3
q = 44,6 12906 + 17,93 + 0,8 x 67,65 + 0.05 x Il.64 q7 44,6 1,4 = 2.696 Calories.
Le mali par m3 T.P.N. d'oxygène est de : q6 - q7 = 2.995 - 2.696 = 299 Calories.
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Puisque l'oxydation de 1 kilogramme de phosphore pour former P2O5nécessite 0,91 m3 T.P.N. d'oxygène, le mali pour 0,5% de P est, par tonne de métal.,.de :
5 x 0,91 x 299 = 1360 Calories.
De ce mali, résulte une-réduction de la température finale du bain de : 1360/@@@ = 8
EMI15.1
l 6 a = 8 ,5cC.
EXEMPLE V.-.
On opère comme dans l'un quelconque des exemples I, II et III, sauf que pendant la dernière phase de soufflage, on utilise, au lieu d'un mélange de composition ( 1 O2 + 1 CO2 + 0,05 N2) de l'air enrichi en oxygène contenant 40% d'oxygène. Cet air est insufflé au maximum pendant une demi-minute.
Le boni calorifique par m3 T.P.N. d'oxygène fourni au bain pendant cette dernière phase est de : 2.696 - 44,6 (12,06 + 11,64 x 1,5) = 2.696 - 1.358 = 1.338 Calories, soit par kilogramme de phosphore oxydé :
0,91 x 1. 338 = 1.218 Calories.
Ce boni permet, par exemple, d'augmenter de 2 kilogrammes en- viron, par kilogramme de phosphore à scorifier, la quantité de chaux en- fournée pour former la seconde scorie.
EXEMPLE VI.- On utilise la même charge que dans l'exemple I. Toute la con@2 version est effectuée par soufflage d'air enrichi de composition 1 0 + a N .
Le mali calorifique à compenser est, comme dans l'exemple I, de :
17.150 Calories par tonne de fonte.
Le boni résultant de l'emploi d'air enrichi à la place d'air atmosphérique :est :
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Q = 54, C 444,6 (10,4 + 10,02 x z). - 44,6 (10,4 + 10,02a." = 54,5 x 44,6 (38,076 - 10,02a) = 2430,7 (38,076,- 10,02a) .
La condition = 17.150 donne :
EMI15.3
3$,076 - 10,02a 17.150
2430,7 10,02a = 38,076 - 7,06
EMI15.4
1Ô;26 = 3, 1 environ.
La concentration en oxygène de l'air enrichi à utiliser est de : 100/4.1 = 24,4% environ.
4,1
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EXEMPLE VII.-
On opère comme dans 1*exemple I, sauf que la chaux de la secon- de scorie est préchauffée à 80000. On peut adopter pour la chaleur spécifi- que molaire de Cao la valeur :
Cp := Il,05 + 0,0011 T où 1: désigne la température absolue de la chaux. On trouve que la chaleur à fournir à la chaux pour la porter de 0 à 800 C à pour valeur : qk = 235 Calories par kilogramme de chaux. Le boni calorifique, si l'on enfourne 50 kilogram- mes de chaux, par tonne de métal, est de 50 x 235 = 11.750 Calories par tonne.
Ce boni peut être utilisé de différentes manières. Il permet notamment, par rapport aux conditions de travail de l'exemple I, soit d'ajouter à la deuxième scorie environ 10 kilogrammes de minerai par ton- ne de métal, soit de réduire à
17.150 - 11.750 = 5.400 Calories par tonne, le boni à réaliser sur les chaleurs d'échauffement des gaz insufflés dans le bain, soit de majorer de 32 kilogrammes par tonne, le poids de mitraillas ajoutées à la charge.
EXEMPLE VIII.-
Supposons qu'on doive traiter 15. 000 kilogrammes de fonte Bessemer phosphorée ayant la composition suivante : 1,3% Si; 0,5% Mn; 4,5% C; 0,2% P.
Supposons que comme dans une conversion normale, la fonte soit enfournée à une température de 1300 C et que l'on désire obtenir, en fin de conversion, la même température de coulée que celle qu'on atteindrait dans une conversion normale à l'air d'une charge de fonte identique.
On décide d'effectuer la conversion suivant l'invention en soufflant d'abord dans le bain, de l'air enrichi en oxygène jusqu'à ce que la teneur en carbone soit abaissée à 2%, puis un mélange pauvre en azote contenant 1 mole d'anhydride carbonique et 0,05 mole d'azote pour chaque mole d'oxygène. Pour constituer la première scorie on enfourne au début, par tonne de fonte, 12 kilogrammes de chaux et 6 kilogrammes d'oxyde ferri- que.
Le soufflage à l'air enrichi en oxygène jusqu'à ce que la te- neur en carbone du bain se soit abaissée à 2% nécessite, par tonne de fon- te, substantiellement 36 m3 T.P.N. d'oxygène.
Après- soufflage de ce v-olume- d'oxygène, on abaisse le conver- tisseur, on évacue la première scorie et on enfourne 20 kilogrammes de chaux par tonne de métal pour constituer la seconde scorie.
On redresse le convertisseur et on finit la conversion en souf- flant le mélange pauvre en azote ayant la composition indiquée, jusqu'à ob- tention de la teneur en phosphore désirée. On a calculé entretemps que ce dernier soufflage nécessite substantiellement 20 m T.P.N. d'oxygène par tonne de métal.
Le bilan calorifique s'établit comme suit : le mali calorifique à compenser par tonne de fonte vaut : Q = 8,000 + 550 (12 + 20 - 7 x 2) + 1000 x 6 Q = 23.900 Calories
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D'après l'invention, ce mali est compensépar le boni à.réali- ser sur les chaleurs d'échauffement des gaz insufflés à la place de l'air ordinaire qui serait utilisé dans une conversion normale à l'air.
La quantité de chaleur qui serait absorbée par la masse d'air atmosphérique à insuffler pour fournir au bain les 56 m T.P.N. d'oxygène par tonne, nécessaires pour effectuer la conversion serait, par tonne, (la température moyenne étant de 1450 C).
Q1 = 56 x 44,6 (10,81 + 10,42 x 3,8) = 125.890 Calories environ.
Dans la conversion réalisée suivant l'invention, on introduit dans le bain, par tonne de fonte, d'abord 36 m3 T.P.N. d'oxygène par in- sufflation d'air enrichi qui absorbe, pour s'échauffer, (la température moyenne étant de 1500 C) une quantité de chaleur Q2 = 36 x 44,6 (11,22 + la .9.83 x a) = 18.000 + 17.400a.
Ensuite, on introduit dans le bain, par tonne de métal, 20 m3 T.P.N. d'oxygène par insufflation du mélange pauvre en azote susdit qui absorbe (la température moyenne étant de 1600 C) une quantité de chaleur : Q3 = 20 x 44,6 12,06 + 17,93 + 0.8 x 67.65 + Il.65 x 0.05 Q3 x 44, 1,40 = 54.000 Calories environ.
Pour balancer le bilan calorifique, on doit avoir
Q1 - (Q2 + Q3) = 23.900 ou
125.890 - (18.000 + 17.400a + 54.000) = 23.900 17.400 = 29.990 a=29. 990/@@@@@@ = 1.72 a = 17.400 ' 1,72 ce qui correspond à une concentration en oxygène de 100 36,8%.
100/2,72 = 36,8%.
EXEMPLE IX.-
On opère dans les mêmes conditions que dans l'exemple VIII, sauf que': 10) la température d'enfournement de la fonte est de 1350 C au lieu de 1300 Ce 2 ) le mélange pauvre en azote utilisé durant la seconde phase de soufflage a pour composition moyenne en volumes,
1 O2 + 1,2 CO2 + 0,05 N2, 3 ) on préchauffe à 800 C la chaux enfournée pour constituer la scorie de déphosphoration.
L'augmentation de 50 de la température de la fqnte procure un apport supplémentaire de chaleur qf = 50 x 160 = 8.000 Calories par tonne de fonte..
Le préchauffage des 20 kilogrammes'de chaux enfournée'par
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tonne procure un apport supplémentaire de chaleur : qk = 20 x 235 = 4.700 Calories par tonne de fonte.
Les modifications apportées par rapport à l'exemple VIII, aux caractéristiques physiques de la charge, procurent au total un apport de qf + qk = 8.000 + 4.700 = 12.700 Calories par tonne de fonte.
Le boni calorifique total à réaliser étant, comme dans l'e- xemple VIII,de
Q = 23.900 Calories par tonne de fonte, il reste à réaliser, par le choix de la composition des gaz utilisés pour effectuer la conversion suivant l'invention, un boni calorifique de
Q - (ci, + qk) = 23.900 - 12.700 = 110200 Calories par tonne de fonte.
Comme dans l'exemple VIII
Ql = 125.890 et
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Q,2 = 36 x 44,6 (11,22 + 1o,83a) = 18.000 + ,,40oae
Par contre, Q3 est accru du fait qu'on utilise dans la seconde phase un mélange de composition
EMI18.2
1 02 + 1,2 CO 2+ 0,05 N- au lieu du mélange de composition
1 O2 + 1 CO2 + 0,05 N2 qui était utilisé dans l'exemple VIII.
La valeur de Q3 devient :
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3 = 20 x 4496 12.06 + 17.93 + 0.96 x 67.65 + 11.64 x 0 ,05 3 = 20 x 446 ÎiÀÎÎ ' = 57.560 environ.
Pour balancer le bilan calorifique, on doit avoir
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Q1 - (Q2 + Q3) = 110200 ou 125.890 - (18.000 + 17.400a + 57.560) = 11.200 17.400a = 39.130 a = 2,25 environ ee qui correspond à une concentration en oxygène de 100/3.35 = 30,8% environ.
3,25 REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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STEEL FORMATION PROCESS BY CONVERSION.
The present invention relates to a process for producing steel by basic Bessemer conversion of phosphorous cast iron, in which the bath is covered with the constituent elements of a first de-phosphorous slag, an oxidizing gas mixture is blown into the bath, the phosphate slag formed is removed, the bath is covered with the constituent elements with a second dephosphorising scbrie, an oxidizing gas mixture is again blown into the bath until the desired phosphorus content is obtained and the mixture is removed. the second slag formed.
In conversions carried out by blowing in air or air enriched with oxygen, every effort is made, in accordance with the teachings of good practice, to work as cold as possible, that is to say, to maintain at all times the bath at the minimum temperature compatible with obtaining, at the end of the conversion, the temperature sufficient to allow satisfactory casting in molds.
This working method is dictated by the desire to lower the phosphorus, nitrogen and oxygen content of the steel produced as much as possible. However, the contents achieved remain appreciably higher than those obtained by the Martin process. ,
It is known that in order to obtain extra mild steel with a very low phosphorus content,. two dephosphoric slags are used during conversion to air or to air enriched with oxygen. In some Variants, blowing with air is replaced, in whole or in part, by blowing using a mixture of gases containing oxygen and carbon dioxide or carbon dioxide. water vapour.
In all the variants of this process using two dephosphorising slags where the blowing of the bath is prolonged in contact with the first slag until the phosphorus content has fallen to less
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0.1%, the weight of the second slag is relatively low and the last blowing, in contact with the second slag, is very brief.
Under these conditions, the dephosphoric action of this second slag is relatively weak and the expected reduction in the phosphorus content is not regularly achieved.
If, in order to improve the dephosphorization, the weight of the materials charged to constitute the second slag were substantially increased, considerable cooling of the bath would be caused. To compensate for this cooling, before removing the first slag, the bath should be heated to a significantly higher temperature than in conversions using a single slag. This would result in interfering with the first dephosphorization and causing strong oxidation of the bath. We would then have to use a larger proportion of expensive deoxidizers such as ferro-manganese and we would risk obtaining ingots containing a high proportion of non-metallic inclusions.
The object of the process according to the present invention is to make it possible to obtain regularly by conversion and without requiring excessive oxidation of the bath, extra mild steel at the right casting temperature and having a phosphorus content of the same order of magnitude. than that obtained by the Martin process, that is to say a value at most equal to 0.04%.
For this purpose, according to the invention, the conversion is carried out with the aid of two successive slags, the first sqorie is removed when the phosphorus content of the metal bath has been brought to a value between 0.6% and 0.2% (preferably between 0.5% and 0.3%) and the conversion is carried out in such a way that the temperature of the bath, measured immediately after the removal of the first slag, is between 1580 C and 1660 C.
It is advantageous to fix the temperature which the bath should have after the removal of the first slag, according to the temperature which one wishes to reach at the end of the conversion. Preferably, the conversion is carried out in such a way that, immediately after the first scouring, the temperature of the bath is between the temperature to be reached at the end of the conversion and a temperature 30 ° C. to 40 ° C. above this temperature. end of conversion.
By stopping the blowing of the bath in contact with the first slag while the bath still contains a significant proportion of phosphorus, it becomes possible to bring this bath, before charging the second slag, to a temperature high enough to compensate for the heat losses resulting from the use of a second slag of relatively large mass, without excessive oxidation of the bath occurring. '
The phosphorus content of the bath and its temperature after the first scouring are determined by known methods (for example, estimating the amount of oxygen blown into the bath, examining the break or quickly analyzing a metal specimen, for the determination of the phosphorus content; with an optical pyrometer or an immersion pyrometer, for temperature determination).
After the first scouring, the operator fixes the weight of slagging material to be added according to the actual phosphorus content and the temperature of the bath and, having regard to the desired casting temperature, the ratio between the weight of the material loaded. and the phosphorus content of the bath being all the higher as the temperature of the bath is itself higher.
The proportion of lime charged to constitute the first slag is substantially the same as for a conversion to atmospheric air. It is worth between 6 and 8 times the weight of phosphorus to eliminate
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of the bath by the first slag.
After the first cleansed, the materials intended to form the second slag, for example, lime with optionally soda ash, lime carbonate, iron oxides, are put in, all at once or in several times. (scale, ore) and fluxes such as fluorspar and alumina, these materials being in quantities such as the weight of basic oxides (CaO and possibly Na2O) which contain either between 7 and 12 times the weight of phosphorus to be incorporated into the second slag (preferably between 8 and 10 times this weight).
The process according to the invention can be carried out using the same cast iron and optionally the same additions of scrap as in normal conversions to atmospheric air. The elements intended to form the first slag can, as in conversions to atmospheric air, be introduced into the converter, either entirely at the start of the conversion, or partly at the start of the conversion and partly during that. -this.
In the process according to the invention, for the metal bath to reach a temperature between 1580 C and 1660 C, after the first slag has been removed at a time when the phosphorus content has been brought to a value between 0.6% and 0.2%, the operation is carried out in such a way that at this moment, each ton of metal in the bath has accumulated an excess of heat in relation to the quantity of heat that a ton of heat would contain. bath metal, at the same stage of refinement, in a normal conversion carried out by blowing in atmospheric air from the same load of cast iron (same initial composition and same initial temperature as that of the load treated in the process according to the invention) to which the quantity of lime would have been added,
scrap and possibly iron oxides necessary to reach, at the end of the operation, the same bonding temperature as that µ #, carried out in the conversion carried out according to the invention.
This excess heat must, at a minimum, be sufficient to compensate for: a) the cooling of the metal bath due to the intermediate scouring; b) the additional heat consumption due to the heating of a quantity of slag material greater than that which would be used in a normal conversion by blowing the same iron with atmospheric air, that is to say more to about six times the weight of phpsphorate fixed by the combination of the two slags.
The heat loss due to the first cleaning depends on the conditions in which the actual operation is carried out and may vary according to the dimensions of the converter. For the generality of cases in current practice, the desired result will be obtained by giving Q a value which, expressed in large Calories, satisfies the relation: 5.000 + 550 (k - 6p) + 1.000 e <Q <12,000 + 550 (k - 6 p) + 1,000 e where: k denotes the weight, in kilograms per tonne of metal, of the lime and e the weight, in kilograms per tonne of metal, of the other constituents of the slagging materials to be placed in the oven to constitute the * second slag; the phosphorus content of the bath, expressed in thousandths of the weight of the metal, after the removal of the first slag.
If the main objective is to lower the phosphorus content of the steel without seeking to achieve a very low nitrogen content, the conversion can be carried out entirely by blowing with oxygen enriched air, the concentration in oxygen being chosen in such a way that the savings made on heating the wind compared to a conversion to atmospheric air is precisely equal to the calorific bonus Q to be achieved.
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If, at the same time as a low phosphorus content, it is desired to obtain a low nitrogen content, it is necessary to replace the blowing 'only with the oxygen enriched air which precedes the first scrubbing, 9' a blowing in two phases. the first of which is blowing with oxygen enriched air and the second of which is blowing using a mixture poor in nitrogen, based on oxygen and endothermic decomposition gas, the transition from the first phase to the second phase being effected when the carbon content has been reduced to less than 2.5%
To assess the carbon content of the bath, the amount of oxygen introduced into the bath since the start of the conversion is estimated.
The estimation of the quantity of oxygen introduced into the bath can easily be done by known methods such as measuring the duration of the blowing or the use of flow meters.
In this specification, when a "nitrogen-poor" mixture of oxygen and an endothermically decomposing oxidizing gas is referred to, it should be understood that the nitrogen concentration of this mixture is lower. at 10% of the total volume. Preferably, the volume of nitrogen is further less than 5% of the volume of the endothermically decomposing gas. This can consist of carbon dioxide and / or water vapor.
This process for obtaining steel with a low nitrogen content, containing, for example, at most 0.004% nitrogen, by blowing the bath in two phases, has been proposed previously by the applicant. But under the operating conditions, the phosphorus content of the bath remained relatively high because the amount of heat removed from the bath by the mixture containing endothermically decomposing oxidizing gas was too great to be able to use an endothermic decomposition gas. slag sufficiently rich in lime to succeed in lowering the phosphorus content to a value substantially below 0.05%, without having to strongly oxidize the bath or to complete the conversion at a temperature below the optimum temperature of casting of the steel produced.
A fortiori, it therefore seemed natural not to associate this process with the process for obtaining steel with a low phosphorus content by the use of two dephosphoric slags, both of relatively large mass, and intermediate scouring.
According to an advantageous variant of the process according to the invention, which makes it possible to regularly produce a bath of extra mild steel at good casting temperature, having both a nitrogen content at the maximum equal to 0.004%, a content in phosphorus at most equal to 0.04% and a normal oxygen content, the calorific excess ± aforesaid is created by giving the two oxidizing gas mixtures successively blown into the bath during the first two blowing phases, compositions re latives such as the quantity of heat removed in the bath per tonne of melting for heating these mixtures and for the dissociation of the part of the endothermically dissociating gases which actually dissociates, that is Q calories less than the quantity of heat that would have been removed in the bath, per tonne of cast iron,
the mass of atmospheric air which it would have been necessary to blow into the bath to bring it from its initial composition to the composition reached at the end of the aforementioned second phase.
By this means, we can easily achieve all values of between 5,000 and 25,000 Calories.
In order to provide the bath with the necessary heat so that its temperature immediately after the removal of the first slag is between 1580 C and 1660 C, the removal of the first slag being carried out when the content of phosphorus of the metal has been brought to a value between 0.6% and 0.2%, the conversion can obviously be carried out by acting other than on the composition of the mixtures to be blown into the bath during the first two phases.
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One can, for example, use a physical or chemical cast iron =
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much hotter than that used for 'normal conversions to atmospheric air, ofesting to place in the converter of' cast iron 'at a temperature significantly higher than the usual temperature of burning, or use a cast iron. containing more silicon or phosphorus
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than for the normal conversion to atmospheric Air. A physically and chemically hotter melt can also be used.
Likewise, it is possible to reduce or remove the 'machine guns added to the bath or to heat at least part of the constituent elements of the two slags. - -' When preheating the constituent elements of the second
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slag, one can be satisfied with heating the bath less before 1-lifting of the first slag, the temperature to be achieved immediately after removal of this sqorie can then be situated towards the lower limit
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from the range of 15800C to 1660 c indicated above.
It should be noted that the preheating of at least part of the constituent elements of the slag, for example lime, may have a particular advantage, especially if the elements thus preheated are
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brought to a minimum of 800aCo In fact, the preheating of these elements under these conditions has the effect of facilitating the formation, in a very short time, of a liquid slag capable of reacting with the phosphoric anhydride formed by the combustion of the phosphorus. This is particularly useful for the second slag whose contact time with the metal bath is always relatively short.
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It is for the same reason that the use of fluxes among the constituent elements of the second slag is also of great interest.
The various variants of the process can be combined with the aim either of obtaining, if necessary, a calorific excess of more than 25,000 Calories per tonne, or of reducing the constitution of the ex-
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the desired amount, the share to come from the savings to be made on the heating of the blown gases. One can, for example, to avoid having to use, for the blowing during the first two phases, gas mixtures with a very high free oxygen content, circumscribe between 5,000 and 15,000 Calories the calorific bonus to be achieved on the heat absorbed. by the blowing gases.
Any additional Calories to reach the desired total ± can then be obtained by modifying the composition of the load, either by removing some or all of the additives.
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cooling conditions (scrap, ore, scale) which, in normal conversion by atmospheric air of an identical load of cast iron,
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have been placed in the oven during operation, either by adding to the bath an appropriate quantity of thermogenic elements such as silicon, calcium, aluminum, phosphorus, these elements being added separately or mixed in the form of alloys, or by preheating all or part of the materials put in the oven to constitute the slag.
In all these modalities, the first phase of the conversion lasts until the carbon content has been reduced to less than 2.5% and, preferably, until this content has reached a value. between 1.5% and 0.5%.
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This first phase of the conversion is followed by a second phase during which an oxidizing gas mixture which is poor in nitrogen is blown in, the oxidizing elements of which are 0 and CO2 or else 02 and H 0 or else 0, .9 CO. 2 and H 2 o.
The substitution from one mixture to another is carried out all the earlier as the final nitrogen content of the steel must be lower.
When the second blowing phase of this variant of the process according to the invention is completed, the converter is lowered to carefully remove the slag which has been formed. Then we bake
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in one or more times, the materials intended to fix in a second slag the phosphorus remaining to be removed from the bath.
Either lime or a mixture of lime and sodium carbonate and / or lime carbonate can be used for this purpose, in a manner known per se. Optionally, a certain amount of iron oxides (eg in the form of ore and scale) and also calcium fluoride and alumina can be added as fluxes.
In the process according to the invention, the weight of scorifying materials introduced to constitute the second slag is such that the sum of the weights of CaO and Na 2 O which they contain is between 7 and 12 times the weight. phosphorus still remaining in the bath. Preferably, it is between 8 and 10 times the latter weight.
While the converter is lowered after removal of the first slag, the bath temperature can be easily measured and the phosphorus content appreciated. The operator can therefore adjust the final temperature of the bath by adjusting the amounts of lime and of the other constituents of the second slag to be placed in the oven at one or more times.
If we call po the phosphorus content of the bath thus determined and expressed in thousandths of the weight of metal, t the number of degrees centigrade by which the bath temperature exceeds the temperature that we want to reach at the end of blowing (in the formula below t is assigned the sign - if the measured temperature is lower than the temperature to be reached at the end of the conversion); k the weight of lime to be placed in the oven per tonne of metal; e the weight in kilograms, per tonne of metal, of the other scorifying substances to be added to the lime;
the founder will choose the values of k and e so as to substantially satisfy the relation
550 k + 1,000 e = 5,000 in + 160 to
The converter is then raised and an oxidizing gas is blown into the bath until the phosphorus content is lowered to the desired value. In the case of the variant making it possible to obtain a steel with a low nitrogen content and a low phosphorus content, it is possible to use, in this last blowing phase, either a mixture similar to that employed during the second. phase, either a mixture similar to that used during the first phase, or successively one or the other.
In these latter variants, the duration of insufflation of the mixture similar to that used during the first phase cannot exceed half a minute, otherwise the final concentration of the bath in azotene would be lower enough. The use of the latter mixture makes it possible to put in a little more slag material, which improves dephosphorization.
To be able to pour the steel, all that remains is to remove the second slag.
To save oxygen, you can. \! when operating the converter, use ordinary air as the wind.
A further object of the present invention is a process for the production of steel by conversion of phosphorus-containing Bessemer cast iron, which has broad analogues with the process discussed above in connection with the production of phosphorus. steel by basic Bessemer conversion of phosphorous cast iron.
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In the present specification, the term "phosphorus-containing Bessemer cast iron" is to be understood as a cast iron containing more than 1% silicon and a phosphorus content of a few tenths per cent at most.
In the process according to the invention, as in the known process for the basic Bessemer conversion of a phosphorous iron by using two slags and intermediate slagging, the bath is covered with the constituent elements of a first slag, and the mixture is blown into the bath. bath an oxidizing gas mixture, the slag formed is removed, the bath is covered with the constituent elements of a second slag, an oxidizing gas mixture is again blown into the bath until the desired phosphorus content is obtained and removed the second slag formed.
But instead of processing phosphorous cast iron containing about 2% phosphorus in a basic coated converter, a non-acid coated converter is treated with phosphorus Bessemer cast iron. The conversion is carried out in the presence of materials capable of forming, with the silica resulting from the oxidation of the silicon in the bath, a sufficiently weakly acidic slag to avoid excessive attack of the refractory coating of the converter. This slag is removed at a time when the silicon bath content has been lowered below 0.1% but the carbon content is still less than 2%. Furthermore, the conversion is carried out so as to bring the bath to a temperature which, measured immediately after the removal of the first slag, is between 1580 C and 1660 C.
The constituent elements of a dephosphoric slag capable of absorbing phosphorus are then added to the bath while continuing to blow an oxidizing mixture until the desired content of phosphorus is obtained.
In other words, instead of treating a phosphorus-containing Bessemer cast iron in an acid-coated converter, it is treated in a basic or neutral-coated converter and the silica formed by the oxidation of the silicon is neutralized by charging from the start. at the start a quantity of slag material capable of rapidly forming a basic slag. A mixture of lime and iron oxides, mainly ferric oxide Fe2O3, is advantageously employed for this purpose, the latter being for example in the form of iron ore or scales. The composition of this mixture is advantageously between one part by weight of Fe2O3 for two parts of CaO and one part by weight of Fe2O3 for one part of CaO.
The quantity of the mixture to be added per tonne of cast iron must be between 10 and 20 times the percentage of silicon in the cast iron.
As in the case of a basic conversion of phosphorous iron, it is advantageous to set the temperature which the bath should have after removal of the first slag, according to the temperature which is desired at the end of the conversion.
Preferably, the blowing is carried out so that immediately after the removal of the first slag, the temperature of the bath is between the temperature to be reached at the end of the conversion and a temperature 30 to 40 above. C at this end of conversion temperature.
In a first variant, the characteristics of the cast iron (chemical composition and temperature) are substantially the same as if the cast iron were to be converted in the usual way by "blowing in atmospheric air and without the addition of elements constituting a slag.
The blowing is then started using oxygen-enriched air containing 1 mole of oxygen for a molos of nitrogen, the oxygen concentration 100/1 + a being less than 45% and, preferably, included in - be 30 and 40%.
When the silicon content of the bath has dropped to-desr
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below 0.1% but the carbon content of the bath is still at least equal to 2%, the converter is lowered, the slag is evacuated and the materials intended to form a slag are filled in one or more times. slag de-
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phosphorous (; c3aux with optionally addition of sodium carbonate, lime carbonate, iron oxides, flux, basic oxides CaO and optionally Na20) in an amount such that the weight is between 7 and 12 times the weight of phosphorus to be slagged (preferably between 8 and 10 times).
The converter is straightened and blown until the desired phosphorus content is obtained.
If you want to make a steel with a low nitrogen content, air blowing is replaced by blowing with an oxidizing gas mixture.
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poor in nitrogen based on oxygen and an endothermic decomposing gas, when the C content of the bath has fallen to less than 2.5% and, preferably, before it reaches 1 , 5%.
So that the temperature of the bath, immediately after removing
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After the first slag, i.e. between 15800C and 166000, it is necessary to achieve, compared to a normal conversion in air and per tonne of cast iron, a calorific bonus g which is expressed by the double inequality: 5,000 + 550 (kl + k - 6p) + 1,000 e Q <12,000 + 550 (kl + k - 6p) + 1,000 e in which k1 and k denote, per tonne of cast iron, the number of kilograms of lime involved in the constitution respectively of the first and second slag; denotes, per tonne of cast iron, the number of kilo-
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grams of phosphorus to be removed designates, per tonne of cast iron, the number of kilograms of matter, other than lime and loaded with it, to constitute the two slags.
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This calorific bonus g is achieved, according to the invention, by choosing in such a way the composition of the blown oxidizing mixtures, 'that the quantity of heat removed from the bath for the heating of these gases
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and for the dissociation of the part of the gases with endothermic decomposition which effectively dissociates is less of Q Sawmills per tonne of cast iron, than the quantity of heat which the mass of atmospheric air would have removed in the bath which would have had to be blown into the bath, per ton of
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cast iron, to bring it from its initial composition to the composition reached at the end of the aforementioned second phase. By doing so, we can easily achieve a calorific bonus of between 5,000 and 25,000 Calories per tonne of cast iron.
Instead of acting only on the composition of the oxidizing mixtures to be blown into the bath, it is possible, in order to achieve the supplement of Ca
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lories'13, act on the other elements that influence the temperature of the bath. In particular, it is possible to use a physically and / or chemically hotter melt than that used for the conversion to air. It is also possible to add thermogenic elements such as silicon, aluminum and phosphorus to the charge. It is also possible to preheat certain materials added to the bath, in particular lime, and in particular the lime entering into the composition of the second slag.
By implementing these means, it is advantageously possible to limit to a value of between 5,000 and 15,000 Calories, per tonne of cast iron, the heat savings to be obtained on heating the blown gases in order to achieve, in total, the bonus. desired calorific.
In a manner similar to what happens in the case of the final blowing for the basic Bessemer process according to the invention, the heating of the constituent elements of the second slag facilitates the formation of the latter and, consequently. , rapid removal of phosphorus. Befor-
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ference, we bring to at least 8000C lep constituent elements of the second slag.
The numerical values given in this memo should be considered as ideal values suitable for the generality of the cases which may arise in practice despite the very great diversity.
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working conditions which arise in steelworks where the basic Bessemer conversion is applied but it goes without saying that, if necessary, we can deviate slightly from these values to adapt them to the cir- particular constancies in which we find ourselves, without the principle of the process being compromised ;.
Any metallurgist, by a preliminary calculation and taking into account the heat of heating of the gases which pass through the bath, the heat absorbed by the endothermic decomposition of some of these gases, the degree of dissociation of these and the bath temperature, knows how to determine the compositions to be given to the mixtures to be blown until the moment
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the first scouring in the process according to the invention, to achieve, with respect to air blowing, the desired heat surplus.
Nevertheless, we give below some examples of implementation of the process according to the invention in which the calculations in question are given.
To facilitate the understanding of these examples, we reproduce in the table below some values taken from the thermodynamic tables indicating the quantities of heat to be supplied to a mole of various gases to bring them to a determined temperature. gives the quantities of heat in large Calories to be supplied to a gram-molecule of various gases to bring them from 100 C to
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knock;
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<tb> ----------------------------------------------- ---------------------
<tb>
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He He fi tf He.
Nature of gas n Values of t Il Nature of gas Values ir Il, iifi "i" If fi Il n n Il Il 1300 - il. 350 he 1400 he 1450 He ---------------------- 0 --------- he ----------- ---------- He ---------- He he fl fi fi If "Oxygen" 9s55 he 9.98 "10.4 if 10.81" n fi he Pr tt he tt Nitrogen P '9.22 "9.62 Il 10.02" 10.42 "11 99 n il il" Carbon anhydride "14.2 n 14.83 if 15.45 Il 16.07 n rr that He He He He "tt" n sr rt n "He Water vapor he q '11.65 Pe 12.2! F he 12 7r It rr 93 He he ū ------------- ------- ¯ū ------- ¯ū --------- ¯ū --------- ¯ū ------ --¯u
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<tb> "<SEP> Values <SEP> of <SEP> t <SEP>"
<tb> Nature <SEP> of the <SEP> gas <SEP> "
<tb>
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-------------------- 'ii -----------' ii ----------- 1I He He 1500 il 155Q 1 1600 il JP5 1 'I ---------------------------------------- ii ----------- ii ---------- '1' Tt oxygen 11.22, "11.64 It 12.06 It 12.48 It fi 11 11 it Nitrogen It 10.83 "11.23 Il, 64 11 12.04 Il fi ît Il fi il Il Canbon anhydride 16.68 Il 1793" 17.93.
He 18.56 fi n only if "11 fi fi if fi fi fi He Water vapor 13.86 He 14.42" 14.98 fi 15.54 II 0 he He he fi II¯¯¯¯¯¯-- ----------------------- ¯U¯ --------- ¯U¯ --------- ¯U¯ ---- ¯¯¯¯¯¯II
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<tb>
<tb>
Heats of dissociation: 1 mole CO2 = CO + 0 - 67.65 Calories
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1 mole H 20 = H 2 + 0 - 57.8 Calories
From these data, we can deduce the quantity of heat to be supplied to the mass of a mixture of these gases, capable of supplying the bath with one cubic meter T.P.N. (the notation T.P.N. means: measured under normal temperature and pressure) of reactive oxygen to heat the said mass from
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100 C up to bath temperature.
By way of example, for the first phase, an average bath temperature of 1300 C will be accepted, for the second phase, a temperature
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average bath of 155,000, for all of these two phases, in a conversion to ordinary air, an average bath temperature of 1450oc.
If the mixture considered is oxygen-enriched air containing a moles of nitrogen for one mole of oxygen, the mass of the mixture to be blown into the bath to provide it with one cubic meter T.P.N. oxygen contains:
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44.6 (1 mole of 0 + a moles of N) and the quantity of heat that it will take from the bath to reach the same temperature as it will be:
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- if the bath temperature is 13000e: q1 = 44.6 (9.55 + 9.22a) - if the bath temperature is 14500C
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q2 = 44.6 (10.81 + 10.4va) - if the bath temperature is 1550 C:
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q3 = 4496 (Il, 6 /. + 11.23a)
If the mixture considered is formed of oxygen, nitrogen and carbon dioxide in the proportion of 1 mole of oxygen to moles of nitrogen and m moles of carbon dioxide and if we admit, which is close to reality, that in contact with molten iron, on average 80% of the carbon dioxide contained in the mixture dissociates into oxygen and carbon oxide, the quantity of heat taken from the bath. by the mass of mixture to be blown to supply the bath with 1 m3 TPN active oxygen is,
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assuming the bath temperature is 1550 C:
q4 = 44.6 11.64 + (17.3m + 0.8m x / 1 + 0.4M 67.65) + 11.23a q4 = 44.0 1 + 0.4m = 519 + 3.185m + 501a
1 + 0.4m
Under the same conditions, a mixture formed of oxygen, water vapor and nitrogen, in the proportion of 1 mole of oxygen to a moles of nitrogen and n moles of water vapor, would take up bath per m3 TPN of active oxygen supplied thereto, an amount of heat: = 44.6 Il.64 + (14.42n + 0.8n x 57.8) + 11.23a q5 = 44.6 1 + 0, 4n = 519 + 2705n + 501a
1 + 0.4n EXAMPLE I.-
Suppose that we have to treat 15,000 kilograms of cast iron having the following chemical composition expressed in%: C = 3.4; Si = 0.4; Mn = 0.40; P = 1.9.
It is at a temperature of 11800C when it is placed in the converter. We want to transform it into extra mild steel that we must be able to cast at the optimum temperature, i.e. around 1610 C.
To convert this cast iron into steel by blowing in atmospheric air, we would add, for example, 2,000 kilograms of lime and we admit that to reach the desired temperature at the end of the conversion, i.e. 1610 C, it would be necessary to add to the bath during the operation, 500 kilograms of grape-shot.
It is decided to carry out the conversion according to the invention by blowing first into the bath, air enriched in oxygen until the carbon content is lowered to 1%, then a mixture whose composition in volumes either one volume of oxygen for one volume of carbon dioxide and 0.05 volume of nitrogen, this mixture being blown in until the phosphorus content is lowered to 0.5% or others terms 5%.
To constitute the first slag, at the start of the operation, 1500 kilograms of lime (ie substantially 7 kilograms of lime per kilogram of phosphorus to be fixed in the first slag) are placed in the oven.
In order to constitute the second slag, 750 kilograms of lime (ie substantially 10 kilograms of lime per kilogram of phosphorus to be fixed in the second slag) are put in, after crushing, at the end of the second blowing phase.
In all, 2,250 kilograms of lime are loaded, ie 250 kilograms more than for the normal conversion in air.
During the conversion, 500 kilograms of scrap will be added to this load as in the conversion to air: The quantity of heat absorbed for heating the additional lime charged is, per tonne of cast iron,
250/15 x 550 Calories = 9a150 Calories. '
If we admit that the scouring involves for the metal bath a heat loss of 8,000 Calories, per tonne, the calorific value compared to the normal conversion to air is:
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9. 150 + 8,000 = 17,150 Calories per ton of cast iron.
This loss will be compensated for in the process according to the invention by a saving made in the quantity of heat absorbed by the oxidizing gases blown during the first two phases.
If the cast iron in the oven was converted into steel by blowing with atmospheric air, the mass of air to be blown in to supply the bath with 52.5 m3 T.P.N. of oxygen, necessary to reduce the phosphorus content of the metal to 0.5%, would, by heating it (averaged up to 1450 C), have taken from the bath a quantity of heat which, per tonne of cast iron, would be: Q1 = 52.5 x q2 = 52.5 x 44.6 (10.81 + 10.42 x 3.8) = 117,800 Calories approx.
In the conversion carried out according to the invention, is introduced into the bath, per tonne of cast iron, during the first phase 28 m TPN of oxygen, by blowing air enriched in oxygen, the oxygen content of which must be determined so that, after introduction during the second phase, 24.5 m3 TPN of oxygen, by blowing the mixture poor in nitrogen, of composition in volumes: (1 02 + 1 CO2 + 0.05 N2) the bath contains, per tonne of metal, 17,150 Calories more than if it had was brought to the same composition by blowing atmospheric air into contact with the first slag.
The quantities of heat removed from the bath by the blown gases and expressed in Calories are, per tonne of cast iron, for the first phase:
Q2 = 28 x q1 = 28 x 44.6 (9.55 + 9.22a) = 11.930 + 11.515a for the second phase:
Q3 = 24.5 q4
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;, 2L ;; 519 + 3.1: 4+ 0 .05 x 501 = 65. 250.
1.4
To balance the calorific balance of the operation, the bonus must
Ql - (Q2 + Q3) carried out on the heat of heating of the blown gases compensates for the mali of 17. 150 Calories.
Hence the relationship:
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117.800 - (11-930 + 11-5151 + 65.250) = 17.150 11.515a = 23.470 a = 23. 470/11 @ 515 = 2.04
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- 11.515 - '"The oxygen-enriched air composition to be used for the blowing during the first phase is therefore:
1 02 = 2.04 N2 which corresponds to an oxygen concentration of
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100 / @ = approximately 33%.
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.3; 04 enVlron.
For the final blowing, a mixture of composition is used; (1 02 + 1 CO2 + 0.05 N2).
EXAMPLE II.-
The operation is carried out under the same conditions as for example I, except that the mixture poor in nitrogen, blown during the second phase has the following (in volume):
EMI13.2
1 0 + 1.1 00 2 + 0.05 N 2
The quantity of heat taken from the bath by the mass of said mixture to be blown in to supply the bath with 24.5 m3 T.P.N. of reactive oxygen is, in this case, per tonne of cast iron,
EMI13.3
Q93 = 24.5q, = 24.5 519 + 31g5 x 1.1 + 501 x 0.05 = 69,000 Calories approx.
1.44 orles approx.
To balance the calorific balance, we must have: 117.800 - (11.930 + 11.515a + 69.000) = 17.150 a = 19.720 1.71 a = @ / 11. 515 = 1.7
The composition of the oxygen enriched air to be used for the blowing during the first phase is therefore
1 O2 + 1.71 N2.
The oxygen concentration of this air is:
100 = 37% approximately.
EMI13.4
2.71 = 37 approximately.
EXAMPLE III.-
The operation is carried out under the same conditions as for Example I, except that 1) the weight of the loaded scrap metal is reduced by 225 kilograms (ie 15 kilograms per tonne of cast iron); 2) the mixture poor in nitrogen used for the blowing during the second phase has the composition
EMI13.5
1 0 + 1.2 00 + 0.05 N2e
Failure to load 15 kilograms of scrap per tonne of cast iron produces a calorific bonus of
15 x 360 = 5,400 Calories per ton of cast iron. '
To balance the calorific balance, the saving to be made on the heat absorbed by the blown mixtures in the conversion carried out according to the invention, compared to the heat which would be absorbed by the blown air in a normal-to-air conversion atmospheric, reduces to 17,150 - 5,400 = 11,750 Calories per ton.
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The quantity of heat taken from the bath by the mass of mixture blown in during the second phase is, per tonne of cast iron:
EMI14.1
Q "= 24.5 5 + 3I85 xl +, Ol x 0.05 ¯ 72,200 Calories. 1.48 ornes.
To balance the calorific balance, we must have: 117.800 - (11.930 + 11.515a + 72.200) = 11.750 a = 21.920 1.9 a 11.515
The composition of the oxygen enriched air to be used for blowing during the first phase is
1 O2 + 1.9 N2.
The oxygen concentration of this air is:
100 / 2.90 = approximately 34.5%.
EXAMPLE IV.-
The conversion is carried out under the same conditions as in Example III, except that, during the second blowing phase, after the removal of the first slag, an oxidizing mixture of the composition is used:
1 O2 + 1.2 CO2 + 0.05 N2 instead of the mixture
1 O2 + 1 CO2 + 0.05 N2 used for the final blowing phase, in Example III.
The average temperature of the bath during the last phase of the blowing being 1600 C, the quantities of heat taken from the bath per m3 T.P.N. of reactive oxygen are respectively: - for the mixture of composition
1 O2 + 1.2 GO2 + 0.05 N2:
EMI14.2
= 44 6.12.06 + 1.2 x 17.93 + o, 96 x 67.65 + o.o5 x 11.64 q6- = '1.48 = 2.995 Calories - for the composition mixture:
1 O2 = 1 CO2 + 0.05 N2:
EMI14.3
q = 44.6 12906 + 17.93 + 0.8 x 67.65 + 0.05 x Il.64 q7 44.6 1.4 = 2.696 Calories.
Mali per m3 T.P.N. of oxygen is: q6 - q7 = 2.995 - 2.696 = 299 Calories.
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Since the oxidation of 1 kilogram of phosphorus to form P2O5 requires 0.91 m3 T.P.N. of oxygen, the mali for 0.5% of P is, per tonne of metal.,. of:
5 x 0.91 x 299 = 1360 Calories.
From this mali, results a-reduction of the final temperature of the bath of: 1360 / @@@ = 8
EMI15.1
l 6a = 8.5cC.
EXAMPLE V.-.
The procedure is as in any one of Examples I, II and III, except that during the last blowing phase, instead of a mixture of composition (1 O2 + 1 CO2 + 0.05 N2) of l oxygen enriched air containing 40% oxygen. This air is blown for a maximum of half a minute.
The calorific bonus per m3 T.P.N. of oxygen supplied to the bath during this last phase is: 2,696 - 44.6 (12.06 + 11.64 x 1.5) = 2,696 - 1,358 = 1,338 Calories, i.e. per kilogram of oxidized phosphorus:
0.91 x 1.338 = 1.218 Calories.
This bonus makes it possible, for example, to increase by about 2 kilograms per kilogram of phosphorus to be slagged, the quantity of lime supplied to form the second slag.
EXAMPLE VI.- The same load is used as in Example I. All the con @ 2 version is carried out by blowing air enriched with composition 1 0 + a N.
The calorific loss to be compensated is, as in example I, of:
17,150 Calories per ton of cast iron.
The bonus resulting from the use of enriched air instead of atmospheric air: is:
EMI15.2
Q = 54, C 444.6 (10.4 + 10.02 x z). - 44.6 (10.4 + 10.02a. "= 54.5 x 44.6 (38.076 - 10.02a) = 2430.7 (38.076, - 10.02a).
The condition = 17.150 gives:
EMI15.3
$ 3.076 - 10.02a 17,150
2430.7 10.02a = 38.076 - 7.06
EMI15.4
; 26 = approximately 3.1.
The oxygen concentration of the enriched air to be used is: 100 / 4.1 = approximately 24.4%.
4.1
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EXAMPLE VII.-
The procedure is as in Example I, except that the lime of the slag second is preheated to 80,000. For the specific molar heat of Cao, the value can be adopted:
Cp: = Il, 05 + 0.0011 T where 1: designates the absolute temperature of the lime. We find that the heat to be supplied to the lime to bring it from 0 to 800 C has for value: qk = 235 Calories per kilogram of lime. The calorific bonus, if 50 kilograms of lime are put in, per ton of metal, is 50 x 235 = 11,750 Calories per ton.
This bonus can be used in different ways. It makes it possible in particular, compared to the working conditions of Example I, either to add to the second slag approximately 10 kilograms of ore per ton of metal, or to reduce to
17,150 - 11,750 = 5,400 Calories per ton, the bonus to be realized on the heat of heating of the gases blown into the bath, that is to say to increase by 32 kilograms per ton, the weight of submachine guns added to the load.
EXAMPLE VIII.-
Suppose we have to process 15,000 kilograms of phosphorus-containing Bessemer pig iron having the following composition: 1.3% Si; 0.5% Mn; 4.5% C; 0.2% P.
Suppose that as in a normal conversion, the cast iron is placed in the oven at a temperature of 1300 C and that we want to obtain, at the end of the conversion, the same casting temperature as that which would be reached in a normal conversion in air of an identical melt load.
It is decided to carry out the conversion according to the invention by first blowing in the bath, air enriched in oxygen until the carbon content is lowered to 2%, then a mixture poor in nitrogen containing 1 mole of carbon dioxide and 0.05 mole of nitrogen for each mole of oxygen. To make up the first slag, at the start, per tonne of cast iron, 12 kilograms of lime and 6 kilograms of ferric oxide are put in.
Blowing with oxygen enriched air until the carbon content of the bath has fallen to 2% requires, per tonne of melting, substantially 36 m3 T.P.N. oxygen.
After blowing this oxygen v-olume, the converter is lowered, the first slag is evacuated and 20 kilograms of lime per tonne of metal are charged to constitute the second slag.
The converter is straightened up and the conversion is completed by blowing the nitrogen-lean mixture of the composition shown until the desired phosphorus content is obtained. It has meanwhile been calculated that this latter blowing requires substantially 20 m T.P.N. of oxygen per tonne of metal.
The calorific balance is established as follows: the calorific loss to be compensated per tonne of cast iron is equal to: Q = 8,000 + 550 (12 + 20 - 7 x 2) + 1000 x 6 Q = 23,900 Calories
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According to the invention, this loss is compensated by the bonus to be realized on the heating heats of the gases blown in instead of the ordinary air which would be used in a normal conversion to air.
The amount of heat that would be absorbed by the mass of atmospheric air to be blown in to provide the bath with 56 m T.P.N. of oxygen per tonne, required to effect the conversion would be, per tonne, (the average temperature being 1450 C).
Q1 = 56 x 44.6 (10.81 + 10.42 x 3.8) = 125,890 Calories approximately.
In the conversion carried out according to the invention, is introduced into the bath, per tonne of cast iron, first 36 m3 T.P.N. of oxygen by inflating enriched air which absorbs, to heat up (the average temperature being 1500 C) a quantity of heat Q2 = 36 x 44.6 (11.22 + la .9.83 xa) = 18,000 + 17,400a.
Then, we introduce into the bath, per tonne of metal, 20 m3 T.P.N. of oxygen by blowing in the aforementioned poor nitrogen mixture which absorbs (the average temperature being 1600 C) a quantity of heat: Q3 = 20 x 44.6 12.06 + 17.93 + 0.8 x 67.65 + Il.65 x 0.05 Q3 x 44, 1.40 = 54,000 Calories approximately.
To balance the calorific balance, we must have
Q1 - (Q2 + Q3) = 23.900 or
125,890 - (18,000 + 17,400a + 54,000) = 23,900 17,400 = 29,990 a = 29. 990 / @@@@@@ = 1.72 a = 17,400 '1.72 which corresponds to an oxygen concentration of 100 36.8%.
100 / 2.72 = 36.8%.
EXAMPLE IX.-
The operation is carried out under the same conditions as in Example VIII, except that ': 10) the temperature for charging the cast iron is 1350 C instead of 1300 Ce 2) the mixture poor in nitrogen used during the second blowing phase has for average composition in volumes,
1 O2 + 1.2 CO2 + 0.05 N2, 3) the lime charged is preheated to 800 C to constitute the dephosphorization slag.
The increase of 50 in the temperature of the fqnte provides an additional heat input qf = 50 x 160 = 8,000 Calories per ton of cast iron.
The preheating of the 20 kilograms of 'lime put in' by
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ton provides additional heat: qk = 20 x 235 = 4,700 Calories per ton of cast iron.
The modifications made compared to Example VIII, to the physical characteristics of the charge, provide a total input of qf + qk = 8,000 + 4,700 = 12,700 Calories per ton of cast iron.
The total calorific bonus to be achieved being, as in example VIII,
Q = 23,900 Calories per tonne of cast iron, it remains to achieve, by the choice of the composition of the gases used to carry out the conversion according to the invention, a calorific surplus of
Q - (ci, + qk) = 23,900 - 12,700 = 110,200 Calories per ton of cast iron.
As in example VIII
Ql = 125.890 and
EMI18.1
Q, 2 = 36 x 44.6 (11.22 + 1o, 83a) = 18,000 + ,, 40oae
On the other hand, Q3 is increased owing to the fact that in the second phase a mixture of composition
EMI18.2
1 02 + 1.2 CO 2+ 0.05 N- instead of the composition mixture
1 O2 + 1 CO2 + 0.05 N2 which was used in Example VIII.
The value of Q3 becomes:
EMI18.3
3 = 20 x 4496 12.06 + 17.93 + 0.96 x 67.65 + 11.64 x 0.05 3 = 20 x 446 ÎiÀÎÎ '= 57.560 approx.
To balance the calorific balance, we must have
EMI18.4
Q1 - (Q2 + Q3) = 110200 or 125.890 - (18.000 + 17.400a + 57.560) = 11.200 17.400a = 39.130 a = approximately 2.25 ee which corresponds to an oxygen concentration of 100 / 3.35 = approximately 30.8% .
3.25 CLAIMS.
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