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PERFECTIONNEMENTS AU TRAITEMENT DES METAUX FERREUXo
Cette invention est relative au traitement des métaux ferreux ayant des teneurs en carbone croissantes depuis 1,0 % et elle a pour but d'apporter une amélioration aux propriétés physiques et mécaniques de ces métaux.
Ce procédé peut aussi être adapté à des matières à plus fai- ble teneur en carbone comprise entre 0,05 et 1,0 % de carbone total.
Il est connu depuis longtemps d'utiliser l'air atmosphérique pour l'affinage et le traitement des métaux ferreux et un nouveau pas a été réalisé par l'emploi d'un mélange d'air enrichi en oxygène, grâce au- quel les impuretés se trouvant dans le métal sont éliminées par oxydation, le métal étant fondu et l'air et l'oxygène étant amenés en contact avec les impuretés de manière à les éliminer soit sous forme de gaz, soit sous forme de scorie.
Dans les dernières années, on a aussi mis en pratique le pro- cédé consistant à souffler de l'oxygène sous pression dans les bains d'acier liquide non seulement pour éliminer rapidement les impuretés oxydables mais aussi pour obtenir une élévation rapide de la température.
Ces procédés connus ont jusqu'à présent eu pourbut uniquement d'éliminer les impuretés oxydables et on a admis de façon générale que la présence dans les métaux ferreux d'oxygène et d'oxydes occlus, même la plus petite quantité, est nuisible à la fois à. la résistance et à la quali- téo Pour cette raison, on s'arrange habituellement pour éliminer l'oxygène du métal liquide.
Or, on a trouvé que le métal ainsi désoxydé se solidifie grossièrement etinégalement, particulièrement dans-les pièces coulées mas- sives. Dans la zone centrale, ces pièces, coulées montrent souvent des
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cristaux si grossiers qu'ils provoquent des tensions internes suffisantes pour amener la rupture, soit interne, révélée par sectionnement de la pièce coulée, soit externe provoquant des fissures externes de la pièce coulée, soit au cours de la fabrication, soit au début de son existence.
Par exemple, dans certains rouleaux et cylindres fabriqués par des procédés utilisés jusqu'à présent, des ruptures se produisent souvent dans le fûr du rouleau, l'endroit précis dépendant du contour du rouleau et dans presque tous les cas, ces ruptures révèlent la présence de décollement et de retrait au centre du rouleau, les ruptures elles-mêmes étant du type à plan de clivage et montrant un métal à cristaux grossiers. En outre, dans chaque cas, l'examen du rouleau brisé a révélé une rupture interne qui, si elle n'a pas atteint la surface de coulée du rouleau, a progressé jusqu'à trois ou quatre pouces (75 à 100 mm) de cette surface.
Dans d'autres rouleaux, l'usinage a aussi révélé des défauts sous forme de assures internes qui ont provoqué la rupture du rouleau au cours de l'usinage ou, si elles n'ont pas été révélées à ce moment, ont provoqué une rupe prématurée dans le laminoir.
Suivant un procédé de traitement des métaux ferreux conforme à l'invention, on fournit au métal liquide une quantité d'oxygène qui déclenche une action grâce à laquelle l'oxygène fourni, en même temps que l'oxygène tiré de l'atmosphère ambiante, est absorbé en quantité propre à satisfaire aux exigences des éléments oxydables présents, et un excès d'oxygène dépassant ces exigences provoque un abaissement de température du métal liquide avant sa solidification et, par conséquent, la formation de cristaux considérablement plus fins (c'est-à-dire plus petits) que ceux qui se forment dans le métal de même composition traité de la manière normale.
Il n'est pas possible d'obtenirnun étalon de comparaison absolu pour définir le sens des mots "considérablement plus fins" employés ci-dessus, car la grosseur de ces cristaux varie suivant la dimension de la pièce coulée ainsi que d'après d'autres facteurs. Cependant, la caractéristique des cristaux dans le métal traité suivant l'invention est que le rapport de la longueur à la largeur ne dépasse pas 2 : 1 et qu'il est souvent de 1 : 1d'où il résulte une structure cellulaire équiaxee tandis que les cristaux des pièces coulées ordinaires ont invariablement un rapport de trois ou plus à un.
Ce procédé permet d'obtenir des cristaux fins équiaxés et il réduit la croissance directionnelle et dendritique au cours de la solidification.
L'oxygène peut être fourni au métal de différentes façons.
On peut l'injecter dans le métal liquide sous forme de jet de gaz à haute pression. Ce jet peut être constitué par de l'oxygène p ou il peut être pbntenu dans de l'air comprimé qui peut être enric à tout degré youlu. exenple de la vapeur sèche sous pression ou de l'anhydride carbonique. La pression du jet, le degré d'enrichissement et la pression partielle de l'oxygène lui-même n'ont pas d'influence appréciable sur la réceptivité de l'oxygène par le métal liquide, pas plus que ces facteurs n'exercent d'influence particulière sur la quantité d'oxygène requis pour obtenir les résultats désirés, bien qu'ils puissent affecter la période d'injection ou la vitesse de la fourniture de l'oxygène dans le bain liquide. L'oxyde peut aussi être fourni sous forme d'oxyde de fer ajouté au métal liquide.
Des essais métallurgiques ont établi que les propriétés physiques et métallurgiques requises peuvent être obtenues indépendamment de la teneur en soufle du métal et bien que le procédé de traitement conforme à l'invention puisse être secondé par n'importe quel procédé normalement employé pour éduire la teneur en soufre si on le désire, ce n'est pas un préliminaire essentiel à aucun stade de la fabrication.
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La fourniture d'oxygène suivant la présente invention peut être faite soit dans le four de fusion, soit ultérieurement dans une poche après la coulée du métal du four. On peut utiliser n'importe quel four dans le- quel l'affinage peut être effectué dans le bain liquide. Le fer fondu dans un cubilot ou un four similaire, peut être traité dans une poche après coulée.
On a trouvé dans les métaux ferreux traités suivant cette in- vention que la gamme de températures entre l'état complètement fluide et l'état complètement solide (c'est-à-dire, l'intervalle de température entre le liquidus et le solidus) est à la fois modifiée et réduite, avec une ré- duction correspondante de la durée nécessaire à la solidification du métal.
Ce refroidissement qui se produit dans les métaux traités par le procédé décrit réduit considérablement la grosseur des cristaux et la cavitation lorsqu'elle se produit, malgré les meilleures propriétés de coulée des mé- taux ainsi traités, n'est pas aussi dangereuse au point de vue des tensiens internes que dans les métaux non soumis au traitement. Les métaux traités conformément à l'invention sont plus résistants que les métaux non traités tandis que leur dureté n'est pas fâcheusement affectée.
La résistance tant à l'effrittement superficiel qu'à l'usure est sensiblement augmentée par suite de l'élimination de la croissance dendritique, des défauts connus sous le nom de plans de clivage, coins fantômes et défauts analogues dans les lingpts et les pièces coulées sont entièrement éliminés. Un autre effet de l'abondance d'oxygène est l'éli- mination des impuretés non métalliques indésirables qui normalement peu-- vent se trouver en pellicules continues ou semi contenues. L'expérience de la demanderesse lui a montré qu'avec un métal de composition appropriée, la profondeur de refroidissement obtenue à la coulée est augmentée pour une composition donnée.
Au point de vue métallurgique, l'oxygène a une influence pré- cise sur chaque phase du système métallique. Le carbure libre, en excès sur la normale dans l'eutectoïde, est rendu à la fois plus doux et plus résistant et présente une tendance marquée à l'absorption partielle dans l'eutectoïde, tout surplus étant distribué en un fin réseau cellulaire de particules séparées équiaxées au lieu des grandes plaquettes fragiles qu'on trouve habituellement.
L'effet de l'oxygène sur le réseau métallique (qui dans le cas général est constitué par de la perlite ou un mélange de perlite et de ferrite ou de cémentite) présente une analogie partielle marquée avec les effets du molybdène et du nickel. C'est un fait bien connu que lorsque le fer ou l'acier se refroidit, soit initialement après la solidification ou ultérieurement après réchauffage, un changement de phase consistant en un réarrangement de la structure atomique, se produit à environ 730 C. C'est la température Ar3. Ce changement atomique ou de phase est réversible et peut être répété indéfiniment.
L'effet du nickel dissous et/ou du molyb- dène dissous est d'abaisser progressivement la température à laquelle le changement Ar3 se produit jusqu'à ce que finalement cette température soit en dessous de la température ambiante normale d'environ 20 C. Le produit final est d'autant plus dur que la température à laquelle ce changement se produit est plus basse. Ce phénomène est utilisé au cours du traite- ment thermique et de la trempe de l'acier.
On a observé dans tous les métaux ferreux traités par l'oxy- gène suivant le présent procédé, un pareil retard à la transforma.tion avec à l'occasion la conservation de la structure que le métal possède à haute température jusqu'à la température atmosphérique; ainsi tandis qu'on peut obtenir un durcissement marqué grâce à cet abaissement du point de trans- formation, tout carbure libre tend à être absorbé, avec une augmentation de la ductilité. Ceci permet de réduire la proportion des coûteux éléments d'alliage.
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L'effet de l'addition d'oxygène sur le graphite de la micro- structure est très marqué. Le graphite qui se présente normalement dans les métaux ferreux sous forme de flocons affaiblit ces métaux de fagon mar- quante. L'effet de quantités successivement croissantes d'oxygène est d'abord d'affiner la structure du graphite jusqu'à ce qu'elle devienne com- parable à celle qui est normalement associée avec les fontes dites "inocu- lées".
L'augmentation de la quantité d'oxygène a pour effet de modifier encore davantage cette structure, de sorte qu'elle devient successivem,ent vermiculaire et approche finalement de la structure nodulaire normalement obtenue seulement par l'addition de certains des métaux du groupe alcalino- terreux de la classification périodique, tels que le magnésium, le cérium. etc, Dans quatre échantillons du même métal dans lequel 3on a introduit de l'oxygène jusqu'à la teneur de 100 pieds cubes (2,83 m ) par tonne, 250 pieds cubes (7,1 m3) par tonne, 400 pieds cubes-(11,3 m3) et 900 pieds cubes (25,5 par tonne respectivement, on a constaté: a) une influence progressive sur la distribution et la structure du graphite; b) une diffusion progressive du carbure libre ;
une absorption progres- sive du carbure libre ainsi diffusé dans le réseau et le plus important: d) une matière progressivement plus homogène et plus résistante.
Actuellement, l'effet fondamental de l'oxygène n'est pas en- core complètement élucidé. Il n'est certainement pas occlus sous forme de bulles. Il y a certaines raisons de croire qu'il peut s'associer-avec la phase carbure de la structure, laquelle phase appardt (dans les conditions de cette invention) principalement comme un eutectoïde riche en cémentite, tout excès prenant une forme cellulaire, de résistance supérieure aux pla- quettes fragiles souvent observées dans les métaux non traités.
L'excès d'oxygène qui n'est pas pris en solution dans le mé- tal peut être éliminé par la technique reconnue de désoxydation en utili- sant du ferro-silicium, du ferro-manganèse ou d'autres agents appropriés.
On donnera ci-dessous en détails quelques exemples d'applica- tion de)ce procédé : EXEMPLE 1.-
Pour faire une fonte d'alliage pour la fabrication de cylin- dres de laminoir:
On fond 16 tonnes de métal dans un four à réverbère à air.
On soufle "à la lance" 100 pieds cubes (2,83 m3) d'oxygène ga- zeux par tonne de métal liquide sous une pression de 80/120 libres par pou- ce carré (5,6/8,5 kg/cm2) par un tube d'acier doux de 3/4 pouce (19 mm) d'alésage qui a été enfoncé de 6 pouces (152 mm) dans le bain de métal li- quide en traversant la scorie de couverture.
La durée d'injection est d'environ deux minutes.
Résultats.
Oxydation des éléments en poids.
Carbone Silicium Manganèse Chrome
3 1/2% 12% 10% 32% Elévation de la température du métal liquide: 150 C.
Structure résultante dans le cylindre: affinement marqué du grain, résilience accrue et légère augmentation de la dureté.
La pratique a montré qu'on obtient les meilleurs résultats
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lorsqu'on injecte l'oxygène au point d'effervescence de la scorie.
EXEMPLE 2. -
Scorie effervescente.
Poids du métal liquide traité: 8 tonnes.
Quantité d'oxygène injectée: 200 pieds cubes (5,66 m3) par tonne de métaL Pression 2 d'injection de l'oxygène à la "lance": 100 livres par pouce carré (7 kg/cm ) .
Tuyau, d'injection ("lance") acier doux de 3/4 pouce (19 mm) de diamètre.
Endroit de l'injections 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal dans le four à réverbère à air.
EMI5.1
<tb>
Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> avant <SEP> injection <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> d'oxygène <SEP> scorie <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> par <SEP> l'oxy-
<tb>
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> gène.
<tb>
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Carbone <SEP> 2,1 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,60
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,40 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 17,7 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,90
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> Aanalyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> au <SEP> moment <SEP> de <SEP> l'ef- <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la <SEP> sco-
<tb>
<tb> fervescence <SEP> de <SEP> la <SEP> scorie, <SEP> c'est-à- <SEP> rie <SEP> au <SEP> moment <SEP> de <SEP> l'effervescence.
<tb>
<tb> dire <SEP> après <SEP> le <SEP> traitement <SEP> à <SEP> l'oxygène.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Carbone <SEP> 2,06 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,40 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 29,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,25
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,70
<tb>
En se reportant aux analyses du métal données ci-dessus, un calcul de ce qui serait théoriquement nécessaire pour satisfaire les déments oxydables donne un chiffre de 6090 pieds cubes (172 m3) d'oxygène sous une pression et une température normales.
En3 fait, le volume d'oxygène injecté n'a été que de 1600 pieds cubes (45 m ) (sous une pression et à une tem- pérature normales) bien que cette quantité ait été injectée sous une pres- sion de 100 livres par pouce carré (7 kg/cm2). Il est donc clair que l'o- xygène injecté ne peut être tenu pour seul responsable de tous les change- ments subis par le métal, mais qu'il apparalt comme un initiateur et qu'une autre quantité considérable d'oxygène (qui est librement disponible dans l'atmosphère ambiante) est également consommée. On ne sait pas de quelle manière ni en quelle quantité cet oxygène extérieur est absorbé par le mé- tal, et il n'y a pas de doute qu'elle varie suivant la composition du mé- tal.
EXEMPLE 3.-
Scorie non effervescente.
Poids du métal liquide traité: 11. 760 kg.
Quantité d'oxygène injectée: 130 pieds cubes (36,6 m3) par tonne de métal.
Pression à la "lance": 120 livres par pouce carré (8,4 kg/cm2).
Endroit d'injection: 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal liquide dans le four à réverbère à air.
Scorie: tranquille à la fin de l'injection d'oxygène.
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EMI6.1
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> par <SEP> l'oxygène <SEP> scorie <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> par
<tb>
EMI6.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ i9 OXY-sene a
EMI6.3
<tb> Carbone <SEP> 2980 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,89 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer:
<SEP> 12,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,38
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> o,61
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> après <SEP> traitement <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> par <SEP> l'oxygène <SEP> scorie <SEP> après <SEP> traitement <SEP> par
<tb>
EMI6.4
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ l'oxygène.
EMI6.5
<tb>
Carbone <SEP> 2,78 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,78
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,30 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 16,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,54
<tb>
Résumé des effets métallurgiques de cette invention: 1) Les métaux traités se refroidissent considérablement avant de se solidi- fier.
2) Le graphite est par conséquent très affiné et il tend naturellement vers les types vermiculaire et même sphéroïdal.
3) Les carbures libres sont considérablement modifiés: ils deviennent pro- gressivement plus doux et de forme plus fine et plus arrondie que les plaquettes de carbure communes aux métaux non traités et surtout une absorption de cémentite finement divisée dans le réseau diminue la quai- tité se trouvant sur les bords.
4) Un abaissement successif du point de transformation Ar3 est obtenu dans le réseau sans devoir ajouter des éléments d'alliage coûteux.
Résumé des effets physiques et mécaniques de l'invention, le refroidisse- ment préalable à la solidification produit : 1) Une réduction de la croissance directionnelle au cours de la solidifica- tion.
2) Une réduction de la croissance dendritique au cours de la solidification.
3) Une production de fins cristaux équiaxés.
Ces propriétés (possédées par les métaux traités) procurent les avantages suivants a) Réduction marquée du retrait. b) Absence de croissance dendritique grossière habituellement associée à ces zones. c) Absence de tensions internes associées qui produisent la rupture du mé- tal lorsqu'il est coulé en grandes masses. d) Absence de lignes ou de plans internes de faiblesses qui peuvent être causés dans les métaux non traités par des impuretés non métalliques du type en pellicule continue.
Les détails suivants sont typiques de la production d'un cy- lindre de laminoir en fonte suivant le procédé de la présente invention:
EMI6.6
<tb> EXEMPLE <SEP> 4.- <SEP>
<tb>
<tb> Type <SEP> de <SEP> four <SEP> réverbère <SEP> à <SEP> air
<tb>
<tb> Combustible <SEP> charbon <SEP> pulvérisé
<tb>
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EMI7.1
<tb> Poids <SEP> de <SEP> la <SEP> charge <SEP> métallique <SEP> 16 <SEP> tonnes
<tb>
<tb>
<tb> chax
<tb>
<tb>
<tb> Constitution <SEP> de <SEP> la <SEP> charge.- <SEP> matière <SEP> % <SEP> analyse <SEP> calculée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> de <SEP> fer <SEP> 55 <SEP> T.C.
<SEP> 2,90%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> d'acier <SEP> 8 <SEP> Si <SEP> 1,30%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> d'hzmatite <SEP> 11 <SEP> Mn <SEP> 0,75%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fonte <SEP> hématite <SEP> 26 <SEP> S <SEP> 0,09%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> P <SEP> 0,20%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> néant
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,50%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mo <SEP> néant
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Apres''fusion, <SEP> l'analyse <SEP> du <SEP> bain <SEP> donnes <SEP> Carbone <SEP> total <SEP> 2,80%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> si <SEP> 1,05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0,40
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,56
<tb>
La température du bain après fusion est de 1380 C.
On ajoute à la "lance" 1600 pieds cubes (45 m3) d'oxygène sous une pression de 100 livres par pouce carré (7 kg/cm) par injection d'oxygène gazeux par un tube d'acier doux de 3/4 pouce (19 mm) approximativement 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal liquide. Ceci est équivalent à 100 pieds cubes (2,83 m3) d'oxygène par tonne de métal liquide.
Température aprèsinjection: 1500 C (élévation due à l'injection: 120 C)
EMI7.2
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> bain <SEP> après <SEP> injections <SEP> carbone <SEP> total <SEP> 2,70 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Si <SEP> 0,92
<tb> Mn <SEP> 0,36
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,38
<tb>
On ajoute au métal liquide dans le bain, sous forme de ferro-alliages:
EMI7.3
<tb> 0,1% <SEP> Si
<tb>
<tb> 0,15 <SEP> Mn
<tb>
<tb> 0,12 <SEP> Cr
<tb>
La coulée est faite 15 minutes plus tard.
Après refroidissement dans la poche jusque 1325 C, le cylin- dre est coulé de la manière habituelle, l'arrivée se faisant normalement mais-plus complètement. On retire le cylindre du moule après la péri ode ordinaire. Sans avoir subi aucun traitement thermi que, ce cylindre a la composition suivante :
EMI7.4
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 2,71 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> combiné <SEP> 1,46
<tb>
<tb> Graphite <SEP> 1,25
<tb>
<tb> S <SEP> 0,94
<tb>
<tb> S <SEP> 09099
<tb>
<tb> P <SEP> o,176
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0,43
<tb>
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EMI8.1
<tb> Ni <SEP> 0,27
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,48
<tb>
<tb> Mo <SEP> 0,08
<tb>
La dureté du cylindre est déterminée comme de coutume au moyen du sclérosco- pe Shore et on obtient les résultats suivants :
Dureté maximum 44,5 Shore
Dureté minimum 35,5 Shore
Moyenne du cylindre 40,0 Shore Ceci est environ 2 supérieur à la normale obtenue sur des cylindres non traités de composition et de grandeur analogues.
Résultats de la coulée.
L'atelier d'usinage a signale que ce cylindre avait un grain très fin équivalent presque à celui obtenu par coulée froide.
Microstructure.
Le réseau est presque identique à celui obtenu normalement avec un traitement au magnésium. Le graphite tend vers le type traité au magnésium, c'est-à-dire, partie sphéroïdal, partie vermiculaire, partie flo- conneux.
Le carbure libre est extrêmement fin et bien réparti.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de traitement d'un métal ferreux, caractérisé en ce qu'on fournit, au métal liquide une quantité d'oxygène qui déclenche une action grâce à laquelle l'oxygène fourni , avec l'oxygène pris à l'at- mosphère ambiante est absorbé en quantité propre à satisfaire aux exigen- ces des éléments oxydables présents, et un excès d'oxygène sur cette quan- tité provoque un refroidissement du métal liquide avant la solidification et forme ainsi des cristaux considérablement plus fins (c'est-à-dire plus petits) que ceux formés dans le métal de même composition traité de la manière habituelle.
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IMPROVEMENTS IN FERROUS METAL TREATMENT o
This invention relates to the treatment of ferrous metals having carbon contents increasing from 1.0% and it aims to improve the physical and mechanical properties of these metals.
This process can also be adapted to materials with a lower carbon content of between 0.05 and 1.0% of total carbon.
It has long been known to use atmospheric air for the refining and treatment of ferrous metals and a new step has been taken by the use of an air mixture enriched with oxygen, thanks to which impurities present in the metal are removed by oxidation, the metal being molten and the air and oxygen being brought into contact with the impurities so as to eliminate them either in the form of gas or in the form of slag.
In recent years, the method of blowing pressurized oxygen into liquid steel baths has also been practiced not only to rapidly remove oxidizable impurities but also to achieve rapid temperature rise.
These known methods have heretofore had the sole purpose of removing oxidizable impurities and it has generally been recognized that the presence in ferrous metals of oxygen and occluded oxides, even the smallest amount, is detrimental to the oxygen. times to. strength and quality. For this reason, it is usual to arrange to remove oxygen from the liquid metal.
However, it has been found that the metal thus deoxidized solidifies coarsely and unevenly, particularly in massive castings. In the central area, these castings often show
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crystals so coarse that they cause sufficient internal stresses to cause rupture, either internal, revealed by severing of the casting, or external causing external cracks of the casting, either during manufacture or at the start of its existence.
For example, in some rolls and cylinders manufactured by processes used heretofore, breaks often occur in the barrel of the roll, the precise location depending on the contour of the roll and in almost all cases these breaks indicate the presence peel and shrinkage at the center of the roll, the breaks themselves being of the cleavage plane type and showing coarse crystal metal. Further, in each case, examination of the broken roll revealed an internal rupture which, if it did not reach the casting surface of the roll, progressed to three or four inches (75 to 100 mm) from this surface.
In other rollers, the machining also revealed defects in the form of internal assures which caused the roll to break during machining or, if not revealed at this time, caused a rupe. premature in the rolling mill.
According to a method for treating ferrous metals according to the invention, the liquid metal is supplied with a quantity of oxygen which triggers an action by which the oxygen supplied, at the same time as the oxygen drawn from the ambient atmosphere, is absorbed in an amount sufficient to meet the requirements of the oxidizable elements present, and an excess of oxygen exceeding these requirements causes a drop in temperature of the liquid metal before it solidifies and, consequently, the formation of considerably finer crystals (i.e. (i.e. smaller) than those formed in the metal of the same composition processed in the normal way.
It is not possible to obtain an absolute comparison standard to define the meaning of the words "considerably finer" employed above, since the size of these crystals varies according to the size of the casting as well as to variations in size. other factors. However, the characteristic of the crystals in the metal treated according to the invention is that the length to width ratio does not exceed 2: 1 and is often 1: 1 resulting in an equiaxed cell structure while crystals in ordinary castings invariably have a ratio of three or more to one.
This process produces fine equiaxed crystals and reduces directional and dendritic growth during solidification.
Oxygen can be supplied to the metal in different ways.
It can be injected into the liquid metal in the form of a high pressure gas jet. This jet can be constituted by p-oxygen or it can be pbntenu in compressed air which can be enric to any degree youlu. exenple dry steam under pressure or carbon dioxide. The pressure of the jet, the degree of enrichment and the partial pressure of the oxygen itself have no appreciable influence on the receptivity of oxygen by the liquid metal, nor do these factors exert any appreciable influence on the receptivity of oxygen by the liquid metal. This has particular influence on the amount of oxygen required to obtain the desired results, although they may affect the injection period or the rate of delivery of oxygen to the liquid bath. The oxide can also be supplied as iron oxide added to the liquid metal.
Metallurgical tests have established that the required physical and metallurgical properties can be obtained regardless of the sulfur content of the metal and although the treatment process according to the invention can be aided by any process normally employed to reduce the content. in sulfur if desired, it is not an essential preliminary at any stage of manufacture.
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The supply of oxygen according to the present invention can be made either in the melting furnace or subsequently in a ladle after the metal has been poured from the furnace. Any oven can be used in which the refining can be carried out in the liquid bath. Iron melted in a cupola or similar furnace can be treated in a ladle after casting.
It has been found in ferrous metals treated according to this invention that the temperature range between the completely fluid state and the completely solid state (i.e., the temperature interval between the liquidus and the solidus ) is both modified and reduced, with a corresponding reduction in the time required for the metal to solidify.
This cooling which occurs in metals treated by the process described considerably reduces crystal size and cavitation when it occurs, despite the better casting properties of the metals so treated, is not so dangerous to the point of view of internal tensiens than in metals not subjected to the treatment. The metals treated according to the invention are more resistant than the untreated metals while their hardness is not adversely affected.
Resistance to both surface crumbling and wear is significantly increased due to the elimination of dendritic growth, defects known as cleavage planes, phantom corners and the like in lingpts and parts. castings are completely eliminated. Another effect of the abundance of oxygen is the removal of unwanted non-metallic impurities which normally can be found in continuous or semi-contained films. The applicant's experience has shown him that with a metal of suitable composition, the cooling depth obtained during casting is increased for a given composition.
From a metallurgical point of view, oxygen has a precise influence on each phase of the metallic system. Free carbide, in excess of normal in the eutectoid, is made both softer and stronger and exhibits a marked tendency for partial absorption in the eutectoid, any excess being distributed in a fine cellular network of particles separated equiaxed instead of the large, fragile platelets that are usually found.
The effect of oxygen on the metal network (which in the general case consists of perlite or a mixture of perlite and ferrite or cementite) has a marked partial analogy with the effects of molybdenum and nickel. It is a well known fact that when iron or steel cools, either initially after solidification or later after reheating, a phase change consisting of a rearrangement of the atomic structure, occurs at about 730 C. C ' is the temperature Ar3. This atomic or phase change is reversible and can be repeated indefinitely.
The effect of dissolved nickel and / or dissolved molybdenum is to gradually lower the temperature at which the Ar3 change occurs until finally that temperature is below normal room temperature by about 20 C. The harder the end product is, the lower the temperature at which this change occurs. This phenomenon is used during heat treatment and hardening of steel.
A similar delay in transformation has been observed in all ferrous metals treated with oxygen according to the present process, with the occasional retention of the structure which the metal possesses at high temperature up to the same temperature. atmospheric; thus while marked hardening can be achieved by this lowering of the transformation point, any free carbide tends to be absorbed with an increase in ductility. This makes it possible to reduce the proportion of expensive alloying elements.
<Desc / Clms Page number 4>
The effect of the addition of oxygen on the graphite of the microstructure is very marked. Graphite, which normally occurs in ferrous metals in the form of flakes, weakens these metals markedly. The effect of successively increasing amounts of oxygen is first to refine the structure of the graphite until it becomes comparable to that which is normally associated with so-called "inoculated" cast irons.
The increase in the amount of oxygen has the effect of modifying this structure even more, so that it becomes successively vermicular and finally approaches the nodular structure normally obtained only by the addition of some of the metals of the alkaline group. - earthy from the periodic table, such as magnesium, cerium. etc., In four samples of the same metal into which oxygen was introduced up to a grade of 100 cubic feet (2.83 m) per ton, 250 cubic feet (7.1 m3) per ton, 400 cubic feet - (11.3 m3) and 900 cubic feet (25.5 per ton respectively, it was observed: a) a progressive influence on the distribution and the structure of the graphite; b) progressive diffusion of free carbide;
a progressive absorption of the free carbide thus diffused in the network and most important: d) a progressively more homogeneous and more resistant material.
Currently, the basic effect of oxygen is not yet fully understood. It is certainly not occluded in the form of bubbles. There is some reason to believe that it may associate with the carbide phase of the structure, which phase appears (under the conditions of this invention) primarily as a cementite-rich eutectoid, any excess taking a cellular form, of superior resistance to brittle pads often seen in untreated metals.
The excess oxygen which is not taken up in solution in the metal can be removed by the recognized technique of deoxidation using ferro-silicon, ferro-manganese or other suitable agents.
Some examples of the application of this process will be given in detail below: EXAMPLE 1.-
To make an alloy casting for the manufacture of rolling mill rolls:
16 tons of metal are melted in an air reverberation furnace.
100 cubic feet (2.83 m3) of gaseous oxygen per ton of liquid metal are blown "with a lance" under a pressure of 80/120 free per square inch (5.6 / 8.5 kg / cm2) through a 3/4 inch (19 mm) bore mild steel tube which was driven 6 inches (152 mm) into the liquid metal bath through the cover slag.
The injection time is approximately two minutes.
Results.
Oxidation of elements by weight.
Carbon Silicon Manganese Chromium
3 1/2% 12% 10% 32% Temperature rise of the liquid metal: 150 C.
Resulting structure in the cylinder: marked grain refinement, increased resilience and slight increase in hardness.
Practice has shown that the best results are obtained
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when oxygen is injected at the effervescence point of the slag.
EXAMPLE 2. -
Effervescent slag.
Weight of the liquid metal treated: 8 tonnes.
Quantity of oxygen injected: 200 cubic feet (5.66 m3) per ton of metaL Oxygen injection pressure 2 at the "lance": 100 pounds per square inch (7 kg / cm).
3/4 inch (19 mm) diameter mild steel injection hose ("lance").
Place the injections 6 inches (152 mm) below the metal surface in the air reverberation furnace.
EMI5.1
<tb>
<SEP> analysis of <SEP> metal <SEP> before <SEP> injection <SEP> Content <SEP> in <SEP> oxide <SEP> of <SEP> iron <SEP> in <SEP> the
<tb>
<tb> oxygen <SEP> slag <SEP> before <SEP> treatment <SEP> by <SEP> oxy-
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<tb> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> gene.
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Carbon <SEP> 2.1 <SEP>% <SEP>
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<tb> Silicon <SEP> 0.60
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<tb> Manganese <SEP> 0.40 <SEP> Iron <SEP> <SEP> oxide: <SEP> 17.7 <SEP>% <SEP>
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<tb> Chrome <SEP> 0.90
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<tb> Aanalysis <SEP> of <SEP> metal <SEP> at <SEP> moment <SEP> of <SEP> the ef- <SEP> Content <SEP> in <SEP> oxide <SEP> of <SEP> iron <SEP> in <SEP> the <SEP> sco-
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<tb> fervescence <SEP> of <SEP> the <SEP> slag, <SEP> that is, <SEP> ries <SEP> at <SEP> moment <SEP> of <SEP> effervescence.
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<tb> say <SEP> after <SEP> the <SEP> treatment <SEP> to <SEP> oxygen.
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<tb>
<tb>
<tb>
Carbon <SEP> 2.06 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 0.40 <SEP> Oxide <SEP> of <SEP> iron: <SEP> 29.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.25
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0.70
<tb>
Referring to the metal analyzes given above, a calculation of what would theoretically be necessary to satisfy oxidizable dementia yields a figure of 6090 cubic feet (172 m3) of oxygen at normal pressure and temperature.
In fact, the volume of oxygen injected was only 1,600 cubic feet (45 m) (under normal pressure and temperature) although this amount was injected under a pressure of 100 pounds per. square inch (7 kg / cm2). It is therefore clear that the injected oxygen cannot be held solely responsible for all the changes undergone by the metal, but that it appears as an initiator and that another considerable quantity of oxygen (which is freely available in the ambient atmosphere) is also consumed. It is not known in what manner or in what quantity this external oxygen is absorbed by the metal, and there is no doubt that it varies according to the composition of the metal.
EXAMPLE 3.-
Non-effervescent slag.
Weight of the liquid metal treated: 11.760 kg.
Quantity of oxygen injected: 130 cubic feet (36.6 m3) per tonne of metal.
Pressure at the "lance": 120 pounds per square inch (8.4 kg / cm2).
Injection site: 6 inches (152 mm) below the surface of the liquid metal in the air reverberation furnace.
Slag: quiet at the end of the oxygen injection.
<Desc / Clms Page number 6>
EMI6.1
<tb> Analysis <SEP> of <SEP> metal <SEP> before <SEP> treatment <SEP> Content <SEP> in <SEP> oxide <SEP> of <SEP> iron <SEP> in <SEP> the
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<tb> by <SEP> oxygen <SEP> slag <SEP> before <SEP> treatment <SEP> by
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EMI6.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ i9 OXY-sene a
EMI6.3
<tb> Carbon <SEP> 2980 <SEP>% <SEP>
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<tb> Silicon <SEP> 0.89 <SEP> Oxide <SEP> of <SEP> iron:
<SEP> 12.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.38
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> o, 61
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<tb>
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<tb> Analysis <SEP> of the <SEP> metal <SEP> after <SEP> treatment <SEP> Content <SEP> in <SEP> oxide <SEP> of <SEP> iron <SEP> in <SEP> the
<tb>
<tb> by <SEP> oxygen <SEP> slag <SEP> after <SEP> treatment <SEP> by
<tb>
EMI6.4
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ the oxygen.
EMI6.5
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Carbon <SEP> 2.78 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 0.78
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.30 <SEP> Iron <SEP> oxide <SEP>: <SEP> 16.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0.54
<tb>
Summary of the metallurgical effects of this invention: 1) Treated metals cool considerably before solidifying.
2) Graphite is therefore very refined and naturally tends towards vermicular and even spheroidal types.
3) The free carbides are considerably modified: they become progressively softer and of a finer and more rounded shape than the carbide plates common to untreated metals and above all an absorption of finely divided cementite in the network decreases the quantity lying on the edges.
4) A successive lowering of the transformation point Ar3 is obtained in the network without having to add expensive alloying elements.
Summary of the physical and mechanical effects of the invention, cooling prior to solidification produces: 1) A reduction in directional growth during solidification.
2) A reduction in dendritic growth during solidification.
3) A production of fine equiaxed crystals.
These properties (possessed by the treated metals) provide the following advantages a) Marked reduction in shrinkage. b) Lack of coarse dendritic growth usually associated with these areas. c) Absence of associated internal stresses which produce breakage of the metal when poured in large masses. d) Lack of internal lines or planes of weaknesses which may be caused in untreated metals by non-metallic impurities of the continuous film type.
The following details are typical of the production of a cast iron rolling mill cylinder according to the process of the present invention:
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<tb> EXAMPLE <SEP> 4.- <SEP>
<tb>
<tb> Type <SEP> of <SEP> furnace <SEP> lamppost <SEP> to <SEP> air
<tb>
<tb> Fuel <SEP> coal <SEP> pulverized
<tb>
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
<tb> Weight <SEP> of <SEP> the <SEP> load <SEP> metal <SEP> 16 <SEP> tons
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<tb>
<tb> chax
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<tb>
<tb> Constitution <SEP> of <SEP> the <SEP> load - <SEP> material <SEP>% <SEP> analysis <SEP> calculated
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> grape shot from <SEP> iron <SEP> 55 <SEP> T.C.
<SEP> 2.90%
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> steel <SEP> grape shot <SEP> 8 <SEP> Si <SEP> 1.30%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> hzmatite <SEP> 11 <SEP> Mn <SEP> 0.75%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> cast iron <SEP> hematite <SEP> 26 <SEP> S <SEP> 0.09%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> P <SEP> 0.20%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> none
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0.50%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mo <SEP> none
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> After''merging, <SEP> the <SEP> analysis of the <SEP> bath <SEP> given <SEP> Carbon <SEP> total <SEP> 2.80%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> if <SEP> 1.05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0.40
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0.56
<tb>
The bath temperature after melting is 1380 C.
1600 cubic feet (45 m3) of oxygen are added to the "lance" at a pressure of 100 pounds per square inch (7 kg / cm) by injection of gaseous oxygen through a 3/4 inch mild steel tube. (19 mm) approximately 6 inches (152 mm) below the surface of the molten metal. This is equivalent to 100 cubic feet (2.83 m3) of oxygen per ton of liquid metal.
Temperature after injection: 1500 C (rise due to injection: 120 C)
EMI7.2
<tb> Analysis <SEP> of the <SEP> bath <SEP> after <SEP> injections <SEP> carbon <SEP> total <SEP> 2.70 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> If <SEP> 0.92
<tb> Mn <SEP> 0.36
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0.38
<tb>
We add to the liquid metal in the bath, in the form of ferro-alloys:
EMI7.3
<tb> 0.1% <SEP> If
<tb>
<tb> 0.15 <SEP> Mn
<tb>
<tb> 0.12 <SEP> Cr
<tb>
The pour is made 15 minutes later.
After cooling in the ladle to 1325 ° C., the roll is poured in the usual way, the arrival taking place normally but no longer completely. The cylinder is removed from the mold after the ordinary period. Without having undergone any heat treatment, this cylinder has the following composition:
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<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 2.71 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> Carbon <SEP> combined <SEP> 1.46
<tb>
<tb> Graphite <SEP> 1.25
<tb>
<tb> S <SEP> 0.94
<tb>
<tb> S <SEP> 09099
<tb>
<tb> P <SEP> o, 176
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0.43
<tb>
<Desc / Clms Page number 8>
EMI8.1
<tb> Ni <SEP> 0.27
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0.48
<tb>
<tb> Mo <SEP> 0.08
<tb>
The hardness of the cylinder is determined as usual by means of the Shore scleroscope and the following results are obtained:
Maximum hardness 44.5 Shore
Minimum hardness 35.5 Shore
Cylinder Average 40.0 Shore This is about 2 more than normal obtained on untreated cylinders of similar composition and size.
Casting results.
The machine shop reported that this cylinder had a very fine grain almost equivalent to that obtained by cold casting.
Microstructure.
The network is almost identical to that obtained normally with a magnesium treatment. Graphite tends towards the magnesium-treated type, ie, spheroidal part, vermicular part, fluffy part.
The free carbide is extremely fine and well distributed.
CLAIMS.
1.- A method of treating a ferrous metal, characterized in that the liquid metal is supplied with a quantity of oxygen which triggers an action whereby the oxygen supplied, with the oxygen taken from the at- The ambient mosphere is absorbed in an amount sufficient to meet the requirements of the oxidizable elements present, and an excess of oxygen over this amount causes cooling of the liquid metal before solidification and thus forms considerably finer crystals (i.e. i.e. smaller) than those formed in the metal of the same composition treated in the usual manner.