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Sir Henry BESSEMER, l'inventeur du procédé de fabrication qui porte son nom, a déjà fait la proposition d'employer, pour l'affinage du bain d'acier, de l'oxygène pur, sans avoir pu réaliser cette proposition.
Au cours du développement ultérieur de ce procédé, en particulier du pro- cédé Thomas qui est une modification du procédé Bessemer, on a fait à plu- sieurs reprises, ces dernières années, la proposition de souffler au moins de l'air enrichi en oxygène, et on a aussi obtenu des résultats apprécia- bles de cette façon. Mais la possibilité de souffler de l'oxygène pur par le fond d'un convertisseur n'a pu être réalisée jusqu'ici, parce que les fonds, et aussi les tuyères, ne se révélaient pas assez durables.
Pour pro- fiter pleinement des grands avantages entraînés par l'affinage à l'oxygène pur pour la fabrication de l'acier, on a utilisé dernièrement une autre mé- thode, dans laquelle on fait arriver'de l'oxygène aussi pur que possible par le haut, c'est-à-dire sur le bain d'acier par des tuyères refroidies à l'eau, ou dans le bain d'acier au moyen de simples conduites à gaz. Ces procédés sont couronnés de succès, et sont déjà appliqués avec diverses va- riantes, mais parmi celles-ci les unes présentent tels inconvénients, ou plus exactement telles imperfections, les autres telles autres. En parti- culier, le soufflage par le haut s'est limité jusqu'ici aux sortes de fon- te brute à faibles teneurs en phosphore, de préférence à celles qui con- tiennent jusqu'à 0,1 à 0,2 % de phosphore.
Les sortes de fonte brute ayant des teneurs en phosphore un peu plus élevées, même jusqu'à 0,5 % environ, peuvent aussi être transformées en acier sans difficultés excessives, dans de petits appareils, des récipients d'essai d'une contenance de quelques kilogrammes à une tonne. Avec ces petits récipients, en se tenant à une alimentation en oxygène pas trop abondante, et en ajoutant des fondants dans des proportions quantitatives qui sont connues par le procédé Thomas, on peut, de façon relativement simple, ramener la teneur en phosphore à 0,04 %, sans que la teneur en carbone s'abaisse en-dessous de 1%.
Comme on le sait, un bas régime de température favorise la déphosphoration, mais quelques degrés de différence de température à la fin de la fusion influen- cent déjà très appréciablement la teneur en phosphore que l'on peut attein- dre économiquement. Dans des essais comme ceux décrits dans un procédé connu (brevet américain N 2 668 751), il est parfaitement possible, en respectant de basses températures, d'obtenir des succès quant à la déphos- phoration prématurée, ces succès étant en outre renforcés efficacement par un préchauffage des fondants nécessaires.
Mais si l'on est forcé de fabri- quer de grandes quantités d'acier suivant ce procédé, et en particulier de le couler en un grand nombre de bons lingots, que ce soit par en haut ou de façon couplée, l'élimination prématurée du phosphore devient incompara- blement plus difficile, sinon même impossible. Si l'on rapportait à des quantités de fonte brute plus grandes les indications données dans les pro- cédés connus, on arriverait à des fournitures d'oxygène par minute et par tonne de fonte brute qui sont plusieurs fois supérieures aux quantités d'oxygène théoriquement nécessaires, même en tablant sur les conditions les plus défavorables.
Par ailleurs, avec une telle fourniture d'oxygène, si on l'introduisait suivant le moyen décrit dans les procédés connus, on ne pourrait jamais affiner à l'état d'acier de grandes quantités de fonte bru- te phosphoreuse de la façon voulue pour que l'élimination du phosphore soit déjà terminée alors qu'il existe encore dans l'acier des teneurs notables en carbone. Pour cette raison, le procédé connu indiqué, d'après lequel les inventeurs ont d'ailleurs essayé de travailler, ne peut être appliqué tel quel à l'échelle de la production.
Au contraire, pour permettre un travail économique en grand il est nécessaire de procéder à de nombreuses modifications, de sorte que le procédé conforme à l'invention décrit ci- après ne concorde plus en aucune façon avec le procédé connu déjà mention-
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né, et se distingue en particulier par le fait que l'on affine économique- ment à l'état d'acier de haute qualité de grandes quantités de fonte brute ayant des teneurs en phosphore jusqu'à plus de 2%, le procédé ayant un ren- dement élevé,
Les recherches faites par l'inventeur avec une fonte brute ayant à peu près la composition suivante 3,5 % c 0,4 % Si 1,0 % Mn
2,0% P 0,05% S 0,007 % N ont montré qu'avec une fourniture d'oxygène faible et constante,
on peut conduire, même dans un récipient d'affinage de 30 t, (convertisseur basique, dont la forme et les dimensions sont généralement connues), un procédé d'é- laboration d'acier dans lequel on obtient un acier parfait par exemple avec 1,4 m d'oxygène par minute et par tonne de fonte brute, et avec une addi- tion de chaux et de minerai par portions pendant l'affinage. La scorie se forme prématurément et absorbe aux dépens du bain des quantités correspon- dantes de phosphore oxydé, et on peut arriver à environ 0,04% de phosphore quand la teneur en carbone est encore de 1,5 % et plus.
Mais un tel procé- dé est désavantageux parce que la durée de fusion est très longue en com- paraison de celle du procédé Thomas et aussi en comparaison de l'affinage de la fonte à l'oxygène pur, et parce que la scorie, pour des teneurs en carbone comprises entre 1 et 2%, mousse extrêmement fort et coule par-des- sus le bord du récipient d'affinage, de sorte qu'en plus du danger pour le personnel, il n'existe plus de contrôle parfait du travail d'affinage. Il s'ensuit une marche irrégulière du travail, dans laquelle il est même néces- saire d'interrompre momentanément l'affinage.
Dans le procédé d'affinage, on a trouvé nécessaire de consacrer une attention particulière à la distance entre la tuyère et le niveau théo- rique du métal. Les tuyères utilisées pour les recherches, et dont la du- rée de vie est pratiquement illimitée si des défauts dans la matière de la tuyère n'amènent pas une détérioration prématurée, sont en cuivre et amé- nagées sous la forme d'une tuyère Laval. La section transversale la plus étroite était de 36 mm, et la pression d'azote en amont de la tuyère était comprise, suivant la quantité fournie, entre 12 (fourniture élevée) et en- viron 4 atmosphères (fourniture faible). En aucun cas, à ces pressions, il ne faut amener la tuyère trop près de la surface du métal ni même l'ame- ner à la toucher, si l'on veut former assez rapidement la scorie liquide nécessaire à la déphosphoration.
La tuyère doit plutôt être réglée de tel- le façon qu'entre son extrémité inférieure et le niveau du liquide, il res- te place pour une couche de scories d'au moins 50 cm - de préférence 80 cm - de hauteur.
On a trouvé en outre qu'une fourniture d'oxygène élevée et con- stante (environ 3,2 m3/mn/t de fonte) conduit à une marche de l'opération qui est très semblable à celle du procédé Thomas, en ce sens que le phos- phore n'est transformé en scorie qu'après que la teneur en carbone a été éliminée. Il est vrai que ce procédé produit une durée d'opération rela- tivement courte, et une faible teneur finale en azote par rapport au pro- cédé Thomas, mais par ailleurs, il ne remplit pas la condition d'après la- quelle, pour des raisons-de qualité, il doit encore y avoir une teneur no- table en carbone à la fin de l'affinage. Dans ce procédé, la tuyère est
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de préférence maintenue à environ 80 cm au-dessus du niveau théorique du bain.
L'idée essentielle de la présente invention consiste à souffler sur le bain de fonte brute par le haut avec une fourniture d'oxygène varia- ble ; suivant l'invention, on procède de la façon suivante, dans le cas d'un récipient d'affinage (convertisseur) de 30 t : toutd'abord, pendant 40 mi- nutes environ, on souffle sur le bain 1,4 à 1,6 m3/mn par tonne de fonte brute. Après la forte scorification du phosphore qui se produit alors, on souffle énergiquement avec environ 2,8 m3/mn et par tonne de fonte sur un laps de temps de 5 à 8 minutes pour brûler le carbone. De cette manière, on arrive avec grande certitude à provoquer la combustion du phosphore avant la combustion du carbone. Pendant le soufflage lent, on ajoute du minerai et de la chaux, continuellement ou par portions.
L'inconvénient de ce pro- cédé réside dans le fait que, même dans cette fusion, la scorie écume for- tement, et que des quantités de scories incontrôlables quittent le conver- tisseur, et que souvent il faut procéder à des interruptions du soufflage pendant lesquelles le bain doit se calmer à nouveau.
Dans ce procédé aussi, par suite des pressions appliquées et dé- jà mentionnées, il faut veiller à la distance de la tuyère pendant le souf- flage plus lent, et elle doit être assez grande pour qu'il reste au moins
50 cm - de préférence 80 cm - entre l'extrémité inférieure de la tuyère et le niveau du métal.
Un élément essentiel de la présente invention réside dans le fait, confirmé par des expériences étendues, qu'il n'est pas nécessaire qu'il y ait encore plus de 0,6 % de carbone dans le métal quand la scorification du phosphore est pratiquement terminée; on a trouvé, en effet, que lorsqu'on règle le processus de la manière indiquée par la présente invention, cette quantité de carbone suffit pour obtenir avec certitude la teneur finale en carbone nécessaire avec de faibles teneurs en phosphore et cependant avec de faibles teneurs en oxygène dans l'acier.
Pour réaliser un processus correspondant dans le convertisseur de 30 t, on élimine tout d'abord du car- bone énergiquement avec une fourniture d'oxygène élevée (2,4 à 3,2 m3/mn par tonne de fonte brute), pour passer d'une teneur de 3,6 à environ 1,5% en un temps de soufflage de 10 à 15 minutes. En ce laps de temps, la te- neur en phosphore s'abaisse d'environ 1,9 jusqu'à 1,0 à 1,5 %. Lorsque, ensuite, on souffle lentement de l'oxygène pur, (1,4 à 1,6 m3/mn par tonne de fonte brute sur un laps de temps d'environ 25 minutes), la teneur en phosphore s'abaisse avec certitude au-dessous de 0,2 % environ et la teneur en carbone à environ 0,6 %. Ensuite, pour éliminer davantage le carbone et le reste du phosphore jusqu'aux teneurs désirées, on souffle à nouveau énergiquement 2,4 à 2,8 m3/mn par tonne de fonte brute.
Mais ce procédé offre encore un autre avantage essentiel, à savoir que, dans la décarbura- tion plus rapide exécutée au début du soufflage, la scorie ne mousse pas fortement, mais encore que par ailleurs - et ceci fait aussi partie de l'in- vention - en ajoutant des sels halogénés d'alcalins ou encore de la poudre de chaux, de la bauxite, du sable ou autres agents connus pour la lutte contre la mousse, en courant continu ou par portions, on empêche la scorie de mousser. On peut aussi, pour combattre les scories qui moussent, diri- ger sur la scorie les tuyères utilisées pour insuffler l'oxygène ou encore disposées en supplément, et obtenir, par un souffle fort, un affaissement de la scorie, ou limiter la formation de scories moussantes.
Les chiffres indiqués plus haut sont valables pour une distance 'de tuyère constante d'environ 80 cm au-dessus du niveau du métal. Dans la, période de soufflage plus lente (1,4 à 1,6 m3/mn par tonne de fonte brute), on adopte la valeur inférieure (1,4 m3/mn par'tonne de fonte brute), quand
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il semble que, par exemple pour 1,6 m3/mn par tonne de fonte brute, le car- bone brûle encore trop fort.
Une autre proposition qui fait l'objet de l'invention tend à modi- fier, non plus la fourniture d'oxygène, mais la distance de la tuyère. Ain- si, par exemple, on peut, dans une période de soufflage lent, fournir 1,8 m3/mn d'oxygène par tonne de fonte brute si l'on porte la distance de la tuyère à environ 1,20 m de la surface théorique du baino Le résultat métallurgique des deux moyens est le même, parce que, dans les deux cas, l'oxygène réagit sur le métal par l'intermédiaire de la scorie, et qu'il n'entre pas en réaction directement avec la surface du bain comme dans le souffle fort avec faible distance de tuyère.
Une autre proposition qui fait l'objet de l'invention tend à fai- re varier la fourniture d'oxygène en prévoyant plusieurs tuyères au lieu d'une seule, et en modifiant le nombre de tuyères en service pendant le soufflage.
Un point important de l'invention réside aussi dans le fait que, pendant la période d'affinage, on modifie la fourniture d'oxygène à l'aide des moyens décrits plus haut, à deux reprises au moins, au cours du souffla- ge. Si les conditions de travail l'exigent, c'est-à-dire que les teneurs désirées des ingrédients connus de la fonte brute ne s'établissent pas, on peut arriver au résultat par une variation encore plus fréquente de la four- niture d'oxygène.
On peut-encore utiliser simultanément plusieurs tuyères de sec- tions différentes, ou de distances différentes par rapport à la surface du bain, et en mettant en service une ou plusieurs de ces tuyères à grande sec- tion ou à grande distance de la surface du bain, on provoque la déphosphora- tion, tandis qu'en d'autres points du bain, on procède à la décarburation avec une ou plusieurs tuyères à souffle fort.
Si l'on ne veut modifier, ni la distance entre les tuyères et la surface du métal, ni la fourniture d'oxygène par minute, l'invention recom- mande de modifier la section de tuyère pendant le soufflage. Pour cela, on peut remplacer, pendant le soufflage, une petite tuyère par une tuyère de section plus grande.
Pour utiliser dans la plus large mesure possible la chaleur chimi- que inhérente au gaz d'échappement (oxyde de carbone), on propose, suivant l'invention, de brûler à l'état de gaz carbonique, en faisant agir l'oxygè- ne, l'oxyde de carbone qui s'échappe du bain au cours de la réaction, dans l'espace libre du récipient d'affinage. L'oxygène peut, par exemple, prove- nir du gaz d'affinage lui-même quand on souffle avec de grandes distances de tuyères, ou bien, le cas échéant, on peut l'insuffler au moyen de tuyères spéciales, sous forme d'oxygène pur, ou d'air, ou de mélange des deux. On obtient en même temps la possibilité de réaliser l'affaissement déjà men- tionné d'une scorie moussante, ou de limiter la formation de celle-ci.
Un avantage particulier de l'invention réside dans le fait qu'avec toutes les possibilités de travail décrites, on peut encore, avantageusement, travail- ler avec un changement de scorie, ce qui veut dire que, lorsque la scorifi- cation du phosphore est terminée, on retire les scories et on produit une deuxième scorie secondaire au moyen de chaux, de soude, de minerai, de cras- ses de laminage, etc.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que l'on peut arrêter et terminer toute fusion à la teneur en carbone qui est nécessaire pour la qualité d'acier à produire, parce que l'élimination du phosphore est pratiquement déjà terminée à un moment où il existe encore suffisamment
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de carbone dans le bain. Ce fait a une importance qu'il ne faut pas sous- estimer quant à la quantité d'oxygène dissous dans l'acier, car celle-ci - indépendamment de la composition des scories - est déterminée en premier lieu par la teneur en carbone. De nombreuses éprouvettes d'oxygène confir- ment ce fait, auquel il fallait s'attendre d'après les lois connues en chi- mie métallurgique.
On peut dire que les teneurs en oxygène des aciers li- quides élaborés suivant l'invention concordent avec les teneurs en oxygène d'aciers correspondants provenant des fours Siements-Martin et des fours électriques.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait qu'il s'éta- blit des teneurs en soufre notablement plus faibles que celles atteintes dans la pratique normale des procédés Siemens-Martin et Thomas. La forma- tion prématurée et rapide d'une scorie basique est d'une importance parti- culière ici, de même que l'absence de gaz chauds soufrés. En outre, il existe une possibilité de réaction directe de l'oxygène avec le soufre dis- sous dans le métal, avec formation de composés soufrés gazeux qui s'échap- pent avec les gaz d'échappement. Quand la fonte brute contient environ 0,05 % de soufre, on peut obtenir avec certitude, dans l'acier fini, des teneurs en soufre inférieures à 0,02 %.
Toutes les opérations mentionnées sont nécessaires quand on veut réaliser un procédé de fabrication de l'acier avec application du souffla- ge d'oxygène pur sur la surface du bain, et le conduire économiquement, en tirant parti de toutes les possibilités offertes, et en obtenant un produit final de haute qualité.
Les inventeurs, dans des essais étendus, ont expérimenté les dif- férents modes de travail décrits sur une grande échelle (plus de 10 000 t de matière vendable), et communiquent dans les tableaux ci-joints des exem- ples de cette production.
Sur toutes les figures, les temps de soufflage en minutes (Tmin) sont portés en abaisses et les teneurs en C, S, P, N, Mn, Si, ainsi que les pourcentages en Fe et les volumes de 02 en ordonnées. Les quantités de minerai et de chaux introduites alternativement sont représentées par A et B respectivement sur toutes les figures (fonte brute FB, riblons R, cal- caire D).
Sur la figure 1b, la charge est de 26 000 Kg de fonte brute et de 2 000 kg de chaux.
Sur la figure 2, la charge est de 24 500 kg de fonte brute, 1 200 kg de chaux, 2 000 kg de riblons et 1 050 kg de minerai.
Sur la figure 3, la charge est de 25 000 kg de fonte brute, 1 300 kg de chaux et 1 050 kg de minerai et on ajoute en Z, 300 kg de chaux et 1500 kg de riblons.
La figure 1 montre, à titre d'exemple, la marche d'une opération dans laquelle on souffle avec une fourniture d'oxygène élevée et constante (80 m3/mn, 12 atm. et 36 cm de section de tuyère), en maintenant une dis- tance de tuyère de 80 cm par rapport à la surface théorique du bain. Par le diagramme de fusion, pris au hasard, (figure 1b), on peut voir nette- ment que, de cette façon, on ne parvient pas à conduire la scorification du phosphore jusqu'à la teneur finale jugée désirable avant élimination du carbone. Quand la décarburation est terminée, il subsiste encore une te- neur en phosphore supérieure à 0,5 %, qu'il faut éliminer en continuant à souffler.
Des moyennes déterminées sur de nombreux bains de ce genre (quan- tité utilisée :25 à 26 t de fonte brute par bain), sont récapitulées sur
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la figure la, et permettent de voir que, dans tous les cas, la teneur en phosphore est encore plus grande que la teneur en carbone. Ce procédé res- semble donc au procédé Thomas normal (souffle par le fond du convertisseur), dans lequel la teneur finale en phosphore dépasse toujours aussi la teneur finale en carbone; toutefois, les teneurs en azote sont nettement inférieu- res quand on souffle de l'oxygène pur.
Par contre, quand la fourniture d'oxygène est faible (environ 40 m3/mn, 4 atm. et 36 cm de section de tuyère), on arrive à donner au pro- cessus l'allure désirée, c'est-à-dire à obtenir la scorification du phospho- re avant la combustion du carbone. La teneur en phosphore est déjà descen- due à de très petites valeurs alors qu'il existe encore dans l'acier des teneurs notables en carbone, comme le montrent les valeurs moyennes de la figure 2a, déterminées sur de nombreux bains. On voit une allure de fusion caractéristique, avec environ 25 t de fonte brute, sur la figure 2b, où pendant toute la durée d'affinage, la teneur en phosphore est inférieure à la teneur en carbone du moment.
Mais avec un tel mode de travail, on ob- tient une durée de fusion essentiellement plus grande, ce que l'on peut voir clairement par la comparaison des figures la et 2a.
Mais on ne peut obtenir un procédé de fabrication d'acier avec des temps de soufflage économiquement supportables qu'en combinant toutes les différentes propositions conformes à l'invention, telles qu'elles sont représentées sur les figures 3a et 3b, Dans ce mode de travail, on a com- mencé par accélérer la combustion du carbone avec une forte fourniture d'oxygène (60 à 80 m3/mn), une partie du phosphore se scorifiant en même temps, tandis qu'après un changement de la fourniture d'oxygène (ramenée à 40 m3/mn), et un changement simultané de la distance de tuyère, de pré- férence plus de 80 cm de la surface théorique du bain, on procède à la sco- rification pratiquement complète du phosphore.
L'élimination plus poussée de la teneur en carbone, jusqu'à la valeur finale désirée, est alors assu- rée par une fourniture d'oxygène à nouveau accrue (énviron 60 m3/mn)
La figure 3a est similaire à la figure 2a, mais on peut voir par cette figure que, rapporté à la quantité de fonte brute affinée d'environ 25 t, le temps de soufflage est plus court.
Dans le procédé représenté sur la figure 3b, on a commencé par abaisser fortement la teneur en carbone par un souffle fort, et ensuite, on a ralenti la combustion du carbone en diminuant la fourniture d'oxygène, tandis que, pendant la même période, la teneur en phosphore s'est abaissée à la valeur finale. Pour environ 0,9 % de carbone (à peu près à la 34ème minute de soufflage), la teneur en phosphore est d'environ 0,04 % et on en- lève les scories du bain. Après addition de chaux, on produit tout d'abord, avec une faible fourniture d'oxygène (40 m3/mn), une dissolution rapide de la chaux pour former une scorie liquide homogène. La fourniture d'oxygène, à nouveau accrue ensuite, élimine la teneur en carbone jusqu'à la valeur finale désirée.
La distance de la tuyère, comme on l'a déjà dit, était de 80 cm au moment de la forte fourniture initiale d'oxygène, de 1 m au milieu pendant la faible fourniture d'oxygène, et finalement elle était à nouveau de 80 cm à la fin de la période de soufflage, avec la forte fourniture d'oxygène.
Environ 100 charges non calmées fondues dans la production norme.- le suivant le dernier mode de travail, ont présenté en bloc l'analyse moyen- ne suivante : 0,12 % C 0,42 % Mn
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0,037% P
0,016% S 0,005 % N
Les derniers échantillons avant la coulée présentaient les chif- fres moyens suivants :
0,10 %C
0,15 %Mn
0,035 % p
0,018% S
0,005% N
0,035 % O
Un autre but de l'invention peut consister à fabriquer, pour des usages spéciaux, des aciers qui se distinguent par une pureté particulière quant aux inclusions non métalliques.
Quand une telle condition se pose, on procède comme expliqué plus haut, et après la fin de la dernière pério- de de soufflage fort, on modifie le procédé en continuant à travailler avec une fourniture d'oxygène très réduite (moins de 1 m3/mn par tonne de fonte brute). Cette mesure a pour but d'une part, d'abaisser encore lentement la teneur en carbone, et elle a aussi des répercussions directes sur la te- neur en oxygène, et enfin, aussi sur les inclusions non métalliques dans l'acier fini. On sait qu'une faible vitesse d'affinage à la fin du proces- sus de fusion va de pair avec une faible teneur en oxygène dans l'acier liquide.
Il peut être avantageux, vers la fin ou après la fin du dernier souffle fort indiqué (2,4 à 2,8 m3/mn par tonne de fonte brute), d'enlever encore une fois les scories du bain et de terminer l'affinage lentement, de la manière décrite plus haut, après avoir ajouté de nouveaux fondants.
Dans ce procédé de fabrication d'aciers spéciaux, il peut être nécessaire, par suite de la faible vitesse d'affinage, de fournir de la chaleur de l'ex- térieur pour maintenir la température. On peut le faire par exemple en fournissant de l'énergie électrique, ou en utilisant un brûleur à gaz ou à huile. Quand on utilise un brûleur, on a l'avantage que tout en chauffant le bain, on crée une atmosphère oxydante, qui exerce l'effet d'affinage lent déjà mentionné, de sorte que, notamment, on peut se passer, pendant cette période, de fournir de l'oxygène pur ou techniquement pur. Cette phase fi- nale équivaut à la période d'ébullition dans le procédé Siemens-Martin ou le procédé au four électrique.
Enfin, l'invention donne la possibilité de fabriquer un fer tech- niquement pur à partir d'une fonte brute phosphoreuse, car le procédé con- forme à l'invention permet d'éliminer économiquement sans grandes difficul- tés tous les éléments accessoires de la fonte brute, jusqu'à la teneur la plus faible possible. Tous les artifices de procédé mentionnés conviennent pour atteindre ce but, mais le moyen le plus avantageux consiste à souffler une quantité d'oxygène élevée et constante jusqu'à ce qu'on ait atteint 0,3 % de phosphore et moins, et ensuite a poursuivre l'affinage du bain, avec un ou plusieurs enlèvements des scories, jusqu'à ce que les éléments accessoires de la fonte brute aient atteint les teneurs désirées.
Il est avantageux de maintenir le bain à tout moment à la limite inférieure de température en ajoutant des additifs fondants et refroidissants, et de ne viser à la température nécessaire à la coulée (plus de 1600 C) que dans les dernières minutes d'affinage.
Ainsi, par exemple, dans un convertisseur de 30 t, on a affiné 26 t de fonte brute présentant l'analyse suivante :
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3,66 % C 0,31 Si 0,87 Mn 1,67 % P
0,076% S en ajoutant 4 t de chaux vive et 2,4 t de minerai, et, en procédant de la manière décrite plus haut, on a obtenu un produit final présentant l'analy- se suivante :
0,02 % C 0, 0 %Si
0,06 % Mn 0,023 % P 0,026 % S 0,005 % N ce qui correspond à un fer techniquement pur à plus de 99,8 % Fe.
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Sir Henry BESSEMER, the inventor of the manufacturing process that bears his name, has already made the proposal to use pure oxygen for the refining of the steel bath, without having been able to carry out this proposal.
During the further development of this process, in particular of the Thomas process which is a modification of the Bessemer process, the proposal has been made on several occasions in recent years to blow at least oxygen enriched air. , and appreciable results have also been obtained in this way. But the possibility of blowing pure oxygen from the bottom of a converter has not been possible so far, because the bottoms, and also the nozzles, were not proving to be durable enough.
In order to take full advantage of the great advantages of refining with pure oxygen for steelmaking, another method has recently been used, in which oxygen as pure as possible is supplied. from above, that is to say on the steel bath by water-cooled nozzles, or in the steel bath by means of simple gas pipes. These methods are successful, and are already applied with various variations, but among them some have such disadvantages, or more exactly such imperfections, others such as others. In particular, top blowing has hitherto been limited to types of pig iron with low phosphorus contents, preferably those which contain up to 0.1 to 0.2% of. phosphorus.
Kinds of pig iron with somewhat higher phosphorus contents, even up to about 0.5%, can also be made into steel without undue difficulty, in small devices, in test vessels with a capacity of. a few kilograms to a ton. With these small containers, keeping to an oxygen supply that is not too abundant, and adding fluxes in quantitative proportions which are known by the Thomas process, it is relatively simple to reduce the phosphorus content to 0, 04%, without the carbon content falling below 1%.
As is well known, a low temperature regime favors dephosphorization, but a few degrees of temperature difference at the end of the melting already very appreciably influence the phosphorus content which can be reached economically. In tests such as those described in a known process (US Pat. No. 2,668,751), it is perfectly possible, while respecting low temperatures, to obtain successes with regard to the premature dephosphorization, these successes being furthermore effectively reinforced. by preheating the necessary fondants.
But if one is forced to fabricate large quantities of steel by this process, and in particular to cast it into a large number of good ingots, either from above or in a coupled fashion, the premature disposal phosphorus becomes incomparably more difficult, if not even impossible. If the indications given in the known processes were compared to larger quantities of pig iron, one would arrive at supplies of oxygen per minute and per tonne of pig iron which are several times greater than the theoretically quantities of oxygen. necessary, even under the most adverse conditions.
On the other hand, with such a supply of oxygen, if it were introduced by the means described in the known processes, it would never be possible to refine large quantities of phosphorous pig iron to the state of steel in the desired manner. so that the removal of phosphorus has already been completed while there are still significant carbon contents in the steel. For this reason, the known method indicated, according to which the inventors have moreover tried to work, cannot be applied as it is at the production scale.
On the contrary, to allow economic work on a large scale it is necessary to carry out numerous modifications, so that the process according to the invention described below no longer corresponds in any way with the known process already mentioned.
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born, and is distinguished in particular by the fact that large quantities of pig iron having phosphorus contents up to more than 2% are economically refined to the state of high quality steel, the process having a high yield,
The research carried out by the inventor with a pig iron having approximately the following composition 3.5% c 0.4% Si 1.0% Mn
2.0% P 0.05% S 0.007% N have shown that with a low and constant oxygen supply,
it is possible to carry out, even in a 30 t refining vessel (basic converter, the shape and dimensions of which are generally known), a steelmaking process in which a perfect steel is obtained, for example with 1.4 m of oxygen per minute per tonne of pig iron, and with addition of lime and ore in portions during refining. The slag forms prematurely and absorbs at the expense of the bath corresponding amounts of oxidized phosphorus, and about 0.04% phosphorus can be achieved when the carbon content is still 1.5% and above.
But such a process is disadvantageous because the melting time is very long in comparison with that of the Thomas process and also in comparison with the refining of the pig iron with pure oxygen, and because the slag, for carbon contents between 1 and 2%, extremely strong foam and sinks over the edge of the refining vessel, so that in addition to the danger to personnel, there is no longer perfect control of the refining work. This results in an irregular progress of the work, in which it is even necessary to temporarily interrupt the ripening.
In the refining process, it has been found necessary to pay particular attention to the distance between the nozzle and the theoretical level of the metal. The nozzles used for research, and whose lifespan is practically unlimited if defects in the material of the nozzle do not lead to premature deterioration, are made of copper and designed in the form of a Laval nozzle. . The narrowest cross section was 36 mm, and the nitrogen pressure upstream of the nozzle was, depending on the amount supplied, between 12 (high supply) and about 4 atmospheres (low supply). In any case, at these pressures, the nozzle should not be brought too close to the surface of the metal or even brought to touch it, if the liquid slag necessary for the dephosphorization is to be formed fairly quickly.
Rather, the nozzle should be adjusted in such a way that between its lower end and the liquid level there is room for a slag layer at least 50 cm - preferably 80 cm - in height.
It has further been found that a high and constant supply of oxygen (about 3.2 m3 / min / t of pig iron) results in an operation which is very similar to that of the Thomas process, in that. meaning that phosphorus is not converted to slag until after the carbon content has been removed. It is true that this process produces a relatively short operating time, and a low final nitrogen content compared to the Thomas process, but on the other hand, it does not meet the condition according to which, for for quality reasons, there must still be a significant carbon content at the end of refining. In this process, the nozzle is
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preferably maintained at about 80 cm above the theoretical level of the bath.
The essential idea of the present invention is to blow the pig iron bath from above with a variable supply of oxygen; according to the invention, the procedure is as follows, in the case of a refining vessel (converter) of 30 t: first of all, for about 40 minutes, the bath is blown 1.4 to 1 , 6 m3 / min per tonne of pig iron. After the strong slagging of the phosphorus which then occurs, one blows vigorously with about 2.8 m3 / min and per tonne of cast iron over a period of 5 to 8 minutes to burn the carbon. In this way, it is possible with great certainty to cause the combustion of phosphorus before combustion of carbon. During slow blowing, ore and lime are added continuously or in portions.
The disadvantage of this process lies in the fact that, even in this melting, the slag foams strongly, and that uncontrollable quantities of slag leave the converter, and that often it is necessary to make interruptions of the blowing. during which the bath should calm down again.
In this process too, owing to the pressures applied and already mentioned, care must be taken to ensure the distance of the nozzle during the slower blowing, and it must be large enough so that at least
50 cm - preferably 80 cm - between the lower end of the nozzle and the level of the metal.
An essential element of the present invention is the fact, confirmed by extensive experiments, that it is not necessary that there should still be more than 0.6% carbon in the metal when the slagging of phosphorus is practically. completed; it has been found, in fact, that when the process is regulated in the manner indicated by the present invention, this quantity of carbon is sufficient to obtain with certainty the final carbon content required with low phosphorus contents and yet with low contents oxygen in the steel.
In order to carry out a corresponding process in the 30 t converter, carbon is first of all removed vigorously with a high supply of oxygen (2.4 to 3.2 m3 / min per tonne of pig iron), to pass with a content of 3.6 to about 1.5% in a blowing time of 10 to 15 minutes. During this time the phosphorus content falls from about 1.9 to 1.0 to 1.5%. When, then, pure oxygen is slowly blown (1.4 to 1.6 m3 / min per tonne of pig iron over a period of about 25 minutes), the phosphorus content drops with certainty below about 0.2% and the carbon content to about 0.6%. Then, to further remove the carbon and the rest of the phosphorus to the desired levels, again vigorously blows 2.4 to 2.8 m³ / min per tonne of pig iron.
But this process offers yet another essential advantage, namely that, in the faster decarburization carried out at the start of the blowing, the slag does not foam strongly, but even more so - and this is also part of the invention. vention - by adding halogenated alkali salts or powdered lime, bauxite, sand or other agents known to fight against foam, in direct current or in portions, the slag is prevented from foaming. In order to combat the slag which foams, it is also possible to direct the tuyeres used to breathe in oxygen or even placed in addition to the slag, and obtain, by a strong blast, a subsidence of the slag, or limit the formation of foaming slag.
The figures given above are valid for a constant nozzle distance of about 80 cm above the level of the metal. In the slower blowing period (1.4 to 1.6 m3 / min per tonne of pig iron), the lower value (1.4 m3 / min per tonne of pig iron) is adopted, when
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it seems that, for example for 1.6 m3 / min per tonne of pig iron, the carbon is still burning too strongly.
Another proposal which is the object of the invention tends to modify, no longer the supply of oxygen, but the distance of the nozzle. Thus, for example, in a period of slow blowing, it is possible to supply 1.8 m3 / min of oxygen per tonne of pig iron if the distance from the nozzle is increased to about 1.20 m from the theoretical surface of the baino The metallurgical result of the two means is the same, because, in both cases, the oxygen reacts with the metal by the intermediary of the slag, and that it does not enter into reaction directly with the bath surface as in strong blast with short nozzle distance.
Another proposal which is the object of the invention tends to vary the supply of oxygen by providing several nozzles instead of just one, and by modifying the number of nozzles in service during the blowing.
An important point of the invention also lies in the fact that, during the refining period, the supply of oxygen is modified by means of the means described above, at least twice, during the blowing. . If the working conditions so require, that is to say the desired contents of the known ingredients of pig iron are not established, the result can be achieved by an even more frequent variation of the supply of pig iron. 'oxygen.
It is also possible to simultaneously use several nozzles of different cross-sections, or of different distances from the surface of the bath, and by putting into service one or more of these nozzles with a large cross-section or at a great distance from the surface of the bath. In the bath, dephosphorization is brought about, while at other points in the bath, decarburization is carried out with one or more strong blast nozzles.
If it is not desired to change either the distance between the nozzles and the metal surface, or the oxygen supply per minute, the invention recommends changing the nozzle section during blowing. For this, one can replace, during blowing, a small nozzle by a nozzle of larger section.
In order to use the chemical heat inherent in the exhaust gas (carbon monoxide) to the largest extent possible, it is proposed, according to the invention, to burn in the state of carbon dioxide, by causing the oxygen to act. ne, the carbon monoxide which escapes from the bath during the reaction, into the free space of the refining vessel. Oxygen can, for example, come from the refining gas itself when blowing with large distances of nozzles, or, if necessary, it can be blown by means of special nozzles, in the form of pure oxygen, or air, or a mixture of the two. At the same time, there is the possibility of achieving the already mentioned subsidence of a foaming slag, or of limiting the formation thereof.
A particular advantage of the invention lies in the fact that with all the working possibilities described, it is still possible, advantageously, to work with a change of slag, which means that, when the slagging of the phosphorus is when finished, the slag is removed and a second secondary slag is produced by means of lime, soda, ore, mill slag, etc.
Another advantage of the invention lies in the fact that any melting at the carbon content which is necessary for the quality of steel to be produced can be stopped and terminated, because the removal of phosphorus is practically already completed at a time when there is still enough
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of carbon in the bath. This fact has an importance which should not be underestimated with regard to the quantity of oxygen dissolved in the steel, because this - independently of the composition of the slag - is determined in the first place by the carbon content. Numerous oxygen specimens confirm this fact, which was to be expected from known laws of metallurgical chemistry.
It can be said that the oxygen contents of the liquid steels produced according to the invention agree with the oxygen contents of the corresponding steels originating from Siements-Martin furnaces and electric furnaces.
Another advantage of the invention resides in the fact that it establishes significantly lower sulfur contents than those attained in the normal practice of the Siemens-Martin and Thomas processes. The premature and rapid formation of a basic slag is of particular importance here, as is the absence of hot sulfur gases. In addition, there is a possibility of direct reaction of oxygen with sulfur dissolved in the metal, with the formation of gaseous sulfur compounds which escape with the exhaust gases. When pig iron contains about 0.05% sulfur, sulfur contents of less than 0.02% can be obtained with certainty in the finished steel.
All the operations mentioned are necessary when we want to carry out a steel fabrication process with application of pure oxygen blowing on the surface of the bath, and to conduct it economically, taking advantage of all the possibilities offered, and in obtaining a high quality end product.
The inventors, in extensive tests, have experimented with the various working methods described on a large scale (more than 10,000 t of salable material), and give examples of this production in the attached tables.
In all the figures, the blowing times in minutes (Tmin) are plotted down and the contents of C, S, P, N, Mn, Si, as well as the percentages of Fe and the volumes of O 2 on the ordinate. The quantities of ore and lime introduced alternately are represented by A and B respectively in all the figures (pig iron FB, scrap R, limestone D).
In Figure 1b, the load is 26,000 kg of pig iron and 2,000 kg of lime.
In Figure 2, the charge is 24,500 kg of pig iron, 1,200 kg of lime, 2,000 kg of scrap and 1,050 kg of ore.
In FIG. 3, the charge is 25,000 kg of pig iron, 1,300 kg of lime and 1,050 kg of ore, and 300 kg of lime and 1500 kg of scrap are added in Z.
Figure 1 shows, by way of example, the progress of an operation in which one blows with a high and constant supply of oxygen (80 m3 / min, 12 atm. And 36 cm of nozzle section), while maintaining a nozzle distance of 80 cm from the theoretical bath surface. From the melting diagram, taken at random (FIG. 1b), it can be clearly seen that, in this way, it is not possible to carry out the slagging of the phosphorus to the final content considered desirable before elimination of the carbon. When the decarburization is complete, there is still a phosphorus content greater than 0.5%, which must be removed by continuing to blow.
Averages determined on numerous baths of this type (quantity used: 25 to 26 t of pig iron per bath), are summarized in
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Figure la, and show that, in all cases, the phosphorus content is even greater than the carbon content. This process therefore resembles the normal Thomas process (blast from the bottom of the converter), in which the final phosphorus content always also exceeds the final carbon content; however, nitrogen contents are much lower when blowing pure oxygen.
On the other hand, when the supply of oxygen is low (about 40 m3 / min, 4 atm. And 36 cm of nozzle section), we manage to give the process the desired pace, that is to say to obtain slagging of the phosphorus before the combustion of the carbon. The phosphorus content has already fallen to very small values while there are still significant carbon contents in the steel, as shown by the average values in Figure 2a, determined over many baths. We see a characteristic melting rate, with about 25 t of pig iron, in Figure 2b, where during the entire refining period, the phosphorus content is lower than the current carbon content.
However, with such a working method, an essentially longer melting time is obtained, which can be clearly seen by comparing Figures 1a and 2a.
However, a steel fabrication process can only be obtained with economically bearable blowing times by combining all the different proposals in accordance with the invention, as shown in FIGS. 3a and 3b. work, we started by accelerating the combustion of carbon with a strong supply of oxygen (60 to 80 m3 / min), some of the phosphorus being scorified at the same time, while after a change in the supply of oxygen (reduced to 40 m 3 / min), and a simultaneous change in the nozzle distance, preferably more than 80 cm from the theoretical surface of the bath, practically complete scorification of the phosphorus is carried out.
Further removal of the carbon content, up to the desired final value, is then ensured by a further increased oxygen supply (approx. 60 m3 / min).
Figure 3a is similar to Figure 2a, but it can be seen from this figure that, based on the amount of refined pig iron of about 25 t, the blowing time is shorter.
In the process shown in Figure 3b, the carbon content was first lowered sharply with a strong blast, and then the carbon combustion was slowed down by reducing the supply of oxygen, while, during the same period, the phosphorus content fell to the final value. For about 0.9% carbon (about the 34th minute of blowing) the phosphorus content is about 0.04% and the slag is removed from the bath. After addition of lime, first of all, with a low supply of oxygen (40 m3 / min), a rapid dissolution of the lime is produced to form a homogeneous liquid slag. The oxygen supply, then increased again, removes the carbon content to the desired final value.
The distance from the nozzle, as already said, was 80 cm at the time of the initial strong oxygen supply, 1 m in the middle during the weak oxygen supply, and finally it was again 80 cm at the end of the blowing period, with the strong supply of oxygen.
About 100 uncooled charges melted in the standard production - following the last working mode, presented in block the following average analysis: 0.12% C 0.42% Mn
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0.037% P
0.016% S 0.005% N
The last samples before casting showed the following average figures:
0.10% C
0.15% Mn
0.035% w
0.018% S
0.005% N
0.035% O
Another aim of the invention may consist in manufacturing, for special uses, steels which are distinguished by a particular purity with regard to non-metallic inclusions.
When such a condition arises, the procedure is as explained above, and after the end of the last period of strong blowing, the process is modified by continuing to work with a very reduced supply of oxygen (less than 1 m3 / min per tonne of pig iron). The purpose of this measure is, on the one hand, to further slowly lower the carbon content, and it also has direct repercussions on the oxygen content, and finally, also on non-metallic inclusions in the finished steel. It is known that a low refining rate at the end of the melting process is associated with a low oxygen content in the liquid steel.
It may be advantageous, towards the end or after the end of the last strong blast indicated (2.4 to 2.8 m3 / min per tonne of pig iron), to once again remove the slag from the bath and complete the ripening slowly, as described above, after adding new fondants.
In this process of manufacturing special steels, it may be necessary, due to the low refining rate, to supply heat from the outside to maintain the temperature. This can be done, for example, by providing electrical energy, or by using a gas or oil burner. When using a burner, we have the advantage that while heating the bath, an oxidizing atmosphere is created, which exerts the slow ripening effect already mentioned, so that, in particular, we can do without, during this period , to provide pure or technically pure oxygen. This final phase is equivalent to the boiling period in the Siemens-Martin process or the electric furnace process.
Finally, the invention makes it possible to manufacture technically pure iron from a phosphorous pig iron, since the process according to the invention makes it possible to economically eliminate without great difficulty all the accessory elements of the iron. pig iron, down to the lowest possible content. All of the process devices mentioned are suitable for achieving this goal, but the most advantageous way is to blow a high and constant amount of oxygen until one has reached 0.3% phosphorus and less, and then to continue refining the bath, with one or more removals of the slag, until the accessory elements of the pig iron have reached the desired contents.
It is advantageous to keep the bath at all times at the lower temperature limit by adding melting and cooling additives, and to aim at the temperature necessary for casting (over 1600 C) only in the last minutes of refining.
So, for example, in a 30 t converter, 26 t of pig iron were refined with the following analysis:
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3.66% C 0.31 Si 0.87 Mn 1.67% P
0.076% S by adding 4 t of quicklime and 2.4 t of ore, and, by proceeding as described above, a final product was obtained having the following analysis:
0.02% C 0, 0% Si
0.06% Mn 0.023% P 0.026% S 0.005% N which corresponds to technically pure iron with more than 99.8% Fe.