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La présente invention se rapporte à un procédé physico- chimique pour traiter des métaux fondus en vue de diverses applications, par exemple pour produire des alliages, pour en- lever des impuretés, etc; elles se rapporte plus particulière- ment à un procédé physico-chimique pour traiter des métaux fondus tandis qu'un courant de métal fondu est soumis à un écoulement turbulent limité à un parcours généralement en spi- rale ; elle se rapporte plus particulièrement encore à un procé- dé physico-chimique,pour le traitement de métaux fondus mainte- nus dans la condition d'écoulement turbulent suivant un parcours généralement en spirale sous l'influence de forces supérieures à la pesanteur.
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Il a été proposé antérieurement de.traiter les métaux à l'état fondu au moyen de divers agents chimiques pour enlever des impuretés indésirables comme le soufre, le phosphore, etc.
Ces procédés ont pour la plupart enseigné la nécessité de dis- perser intimement les agents de traitement chimiques dans le bain de métal fondu. La dispersion de l'agent de traitement dans le bain de métal fondu se faisait par diverses méthodes, par exemple en ajoutant l'agent au métal fondu dans le chenal de coulée venant du fourneau, employant ainsi la force du mou- vement du métal fondu à l'impact avec le métal dans la poche de réception poùr disperser l'agent dans le métal, ou en ajou- tant l'agent au bain dé métal fondu dans la poche et en versant le métal fondu d'une poche dans une autre, de manière à ce que l'agent de traitement surnageant le bain de métal fondu soit entrainé dans le bain par la force du courant de métal lorsqu' il est versé d'une poche dans une autre.
Ceci est particulière- ment vrai én ce qui concerné les agents de traitement alcalins pour l'enlèvement du soufre de la fonte brute, enlèvement qui est considéré comme une des opérations les plus importantes dans la production de fer marchand et d'acier.
Etant donné l'importance de la désulfuration du fer et de l'acier industriellement, les principes de l'invention seront . décrits et illustrés ci-après en matière de désulfuration; ceux qui sont au courant de la partie comprendront toutefois que la présente invention est, en fait, un instrument pour traiter autrement le fer; l'acier et métaux analogues à l'état fondu; afin d'en éliminer les constituants indésirables ou d'y ajouter des constituants souhaitables.
Dans la désulfuration du fer et de l'acier; on a utilisé divers agents de désulfuration alcalins dans les procédés anté- rieurs; l'agent le plus courant étant le carbonate de sodium du commerce ou "sel de soude calciné". On a compris Depuis long-
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temps qu'un composé plus alcalin que le carbonate de sodium serait, du moins potentiellement, un agent de désulfuration plus efficace que le carbonate de sodium ou les composés moins alcalins des métaux alcalino-terreux. La matière logique en vue de cette application, existant dans le commerce, est évidemment la soude caustique.
Toutefois, la soude caustique n'a jamias bénéficié d'une faveur technique étendue dans les opérations de désulfuration et on ne l'a employée que dans des procédés assez compliqués qui sont des variantes 'du procédé de recharge- ment en poche mentionné plus haut, afin de protéger les surfa- ces réfractaires, etc, avec lesquelles la soude caustique vient en contact durant le traitement du métal.
Les difficultés rencontrées dans l'emploi de la soude caustique ou du carbonate de sodium dans les opérations de désulfuration provenaient principalement de l'effet corrosif de ces matières, à la température des métaux ferreux fondus, sur les revêtements réfractaires de l'appareillage dans lequel la réaction de désulfuration s'effectue ; ceci est particulièrement vrai pour la soude caustique qui, à la température des bains fondus de métaux ferreux, à savoir supérieure à environ 1371 C, attaque rapidement ces matériaux réfractaires.
Une autre diffi culté rencontrée dans l'emploi de la soude caustique, particu- lièrement dans la désulfuration des métaux ferreux, était la vaporisation ou-conversion en fumée de la soude caustique fon- due aux températures des bains métalliques, fumée qui, dans les procédés antérieurs, constituait un danger pour les personnes qui y étaient exposées.
De même, par exemple pour produire des alliages de métaux ferreux, la pratique consistait autrefois à ajouter soit un alliage métallique ferreux, comme un ferro-chrome, ou du ferro- chrome-silicium, en mélanges exothermiques qui, lorsqu'ils sont ajoutés au métal fondu, subissent une réaction à la température
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du métal fondu, libérant de l'énergie sous forme de chaleur; la formation d'alliage était ainsi effectuée au moyen d'une réaction chimique cédant le métal désiré au bain de métal fon- du. Dans ces procédés, il est courant d'effectuer la dispersion du métal d'alliage désiré dans le métal de base en versant le bain de métal fondu conjointemen avec la scorie d'affinage d'une poche à l'autre.
Ceux qui sont au courant de la partie comprendront que ces procédés constituent un moyen assez gros- sier pour disperser un métal dans un autre, et conduisent à des résultats non uniformes dans l'alliage finalement obtenu.
On vient de découvrir présentement, contrairement aux enseignements des procédés antérieurement connus, que les trai- tements chimiques et particulièrement la désulfuration des,mé- taux fondus contenant des composés sulfurés et autres impuretés indésirables, peuvent s'effectuer sans la nécessité de prévoir une phase fortement dispersée de l'agent de traitement chimique dans le bain de métal fondu dans la poche ou réservoir similai-- re, et que ceci peut se faire avantageusement sans devoir met- tre en contact l'agent de traitement avec les réfractaires de l'appareillage dans lequel le traitement chimique a lieu.
L'importance de cette particularité de l'invention sera immédia- tement apparente aux personnes qualifiées.
On a également découvert conformément à la présente inven- tion que dans le cas où on utilise de la soude caustique, du carbonate de sodium ou un mélange de ces matières, comme agent de désulfuration, et où les fumées de ces matières sont mainte- nues en contact avec le métal fondu pendant des périodes éten- dues, ces fumées perdent leurs propriétés nocives caractéristi- ques et que l'on peut s'en débarrasser facilement durant la désulfuration sans qu'elles constituent un danger pour le per- sonnel occupé au processus de désulfuration.
Un des objets de la présente invention est d'apporter un
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procédé physico-chimique pour traiter un métal fondu, dans le- quel l'agent de traitement n'a pas besoin d'être dispersé inti- mement dans le bain de métal fondu.
Un autre objet de l'invention est d'apporter un procédé de traitement des métaux fondus, procédé dans lequel un courant de métal fondu et d'agent de traitement circulant en un par- cours généralement en spirale est soumis à un écoulement turbu- lent dans une zone d'entreposage de métal et d'avancement de métal, les surfaces du métal fondu et de'l'agent de traitement présentant ainsi continuellement et rapidement leurs portions fraichement exposées réciproquement dans leurs conditions les plus réactives physiquement et chimiquement.
Un autre objet de l'invention est d'apporter un procédé continu de traitement, des métaux fondus dans lequel un courant de métal fondu et d'agent de traitement est brisé en petites particules discontinues en quittant la zone d'entreposage : de métal et d'avancement de métal et durant le contact de l'agent de traitement et du métal fondu.
Un autre objet de la présente invention est d'apporter un procédé pour enlever les impuretés des métaux ferreux fondus contenant des composés sulfurés, du silicium, du phosphore, etc, procédé dans lequel l'agent de traitement chimique est maintenu hors de contact des matériaux réfractaires de l'appa- reillage dans lequel la réaction chimique conduisant à la puri- fication du métal se produit.
Un autre objet de l'invention est d'apporter un procédé de désulfuration des métaux, procédé dans lequel les fumées prove- nant de l'agent de désulfuration alcalin peuvent être éliminées facilement sans danger pour le personnel s'occupant de l'opéra- tion.
Ces objets et d'astres objets de l'invention apparaitront aux personnes qualifiées par une description plus détaillée de
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l'invention donnée ci-après.
'En principe, le procédé de la présente invention pour le traitement de métaux fondus comprend les phases opératoires consistant à soumettre un courant du métal à un écoulement turbulent limité à un parcours généralement en spirale, par- cours constituant une zone d'entreposage de métal et d'avance- ment de métal pour le métal fondu considéré, à mettre ce métal fondu en contact avec un agent de traitement, à permettre au courant de quitter ce parcours sous une forme non confinée, disloquant ainsi le.courant et formant des particules disconti- nues de métal fondu, à recueillir ces particules discontinues sous la forme d'un corps continu de métal fondu, et à.séparer ce corps de métal fondu de l'agent de traitement et des pro- duits indésirables résultant du contact du métal fondu et de l'agent.
En ce qui concerne spécifiquement la désulfuration, la déphosphoration ou l'enlèvement du silicium du fer et de l'a- cier, l'expression "composé alcalin de métal alcalin" ou "agent de désulfuration alcalin" telle qu'est utilisée ici comprend principalement les oxydes, hydroxydes, carbonates, bicarbonates et silicates des métaux alcalins lithium, sodium, potassium, rubidium et caesium, de même que des mélanges de ces substances entre elles, et avec des additifs comme les composés de métaux alcalino-terreux, par exemple le fluorure de calcium, lequel peut être utilisé pour remplir une fonction spécifique, par exemple comme fondant (fusion et coalescence des occlusions) dans le bain métallique durant le traitement chimique.
Les for- mes commerciales des composés alcalins mentionnés plus haut et utilisés comme agents de traitement chimique sont évidemment principalement les composés sodiques comme la soude caustique, le carbonate de sodium et le silicate de sodium, que l'on peut utiliser dans le procédé de la présente invention en une combi-
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naison voulue quelconque pour effectuer des traitements spéci- fiques d'un métal fondu comme les métaux ferreux' fondus.
Ceux qui sont versés dans ce domaine comprendront aussi que les composés alcalins de métaux alcalins, spécifiquement pour la'désulfuration, etc, peuvent également contenir d'autres- additifs fondants en supplément ou ,en remplacement du 'fluorure de calcium cité plus haut, par exemple des borates de métaux . alcalins, d'autres oxydes ou fluorures alcalino-terreux, des oxydes d'aluminium, de l'oxyde ferrique, des oxydes de manganèse, des oxydes de vanadium, des composés des terres rares, etc.
Toutefois, conformément à la présente invention, ces substances ne sont pas de préférence en qualité suffisante pour détruire les effets désirés de l'agent de traitement aux températures du bain fondu.
L'expression "écoulement turbulent" telle qu'on l'utilise ici est à comprendre dans le sens technique en ce qui a trait aux substances fluides ; l'emploie pour caractériser l'écou- lement dans des conditions où il se produit une turbulence des courants de métal fondu et d'agent de traitement, par opposition 'à l'écoulement naturel, ou quiescencé, où il n'existe pas de turbulence dans le corps du fluide en écoulement.
Lorsqu'on prévoit l'écoulement turbulent du métal fondu et de l'agent de traitement, les courants sont réglés et confinés de manière à se.présenter mutuellement des surfaces fluides changeant continuellement et substantiellement de même étendue à l'interface, évitant totalement la technique courante du main- tien à l'état intimement dispersé de l'agent de traitement dans le bain de métal fondu.
Un moyen pour produire l'écoulement . turbulent du métal fondu et de l'agent de traitement, conformé- ment aux principes de la présente invention, et pour permettre aux courants de quitter le parcours généralement en spirale dans la zone d'entreposage de métal et d'avancement de métal
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sous une forme non confinée, d'où dislocation des courants et formation de particules discontinues de métal fondu en contact avec 1''agent de traitement, consiste en un cylindre rotatif pourvu d'un moyen pour conférer une vitesse rotatoire suffisan- te au cylindre pour provoquer la formation d'une bouche conti= nué de métal fondu sur les surfaces internes du cylindre.
Les principes de la présente invention vont être examinés de manière plus démaillée' en se rapportant aux dessins en annexe qui font partie de l'invention.
La figure I est une coupe verticale, avec certaines parties enlevées, d'un appareillage convenant au traitement des métaux fondus conformément aux principes de la présente invention.
La figure II est une vue isométrique d'un moyen'pour.capter le métal fondu issu de l'extrémité de décharge de l'appareillage de la figure I, le moyen collecteur ayant une partie du couver- ole frontal enlevée pour exposer l'extrémité de décharge de l'appareillage de la figure I et présentant une ouverture, non montrée dans la figure I, pour un conduit de fumée.
La figure III est une coupe verticale du moyen collecteur . de la figure II, vue dans la direction de la ligne A-A.
La figure IV est une vue latérale du moyen collecteur de la figure II, avec le couvercle frontal en place, la structure interne étant indiquée par des lignes interrompues, et montrant une cheminée à fumée en place.
La figure V est une représentation schématique d'une vari- ante de l'appareillage de la figure I, avec certaines parties enlevées, variante spécifiquement conçue pour l'addition de l'agent de traitement au métal fondu dans un chenal de coulée allant à l'appareillage de la figure I, le métal étant fourni au ohenal à partir d'une poche.
La figure VI est une vue schématique montrant une variante de l'appareillage des figures I et V, où le métal fondu peut
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subir un traitement en deux stades successifs en agençant deux ou plusieurs unités de l'appareillage en série.
La figure VII est un tracé d'un agrandissement d'un film au ralenti montrant le modèle de trajectoire du métal fondu se déchargeant dans le moyen collecteur d'un appareillage du type représenté dans les figures I à IV et VI, où le cylindre tourne à peu près à la vitesse critique, c'est-à-dire à la vitesse à laquelle l'accélération centripète conférée au métal subissant le traitement est juste suffisante pour maintenir le métal fon- du sous la forme d'une couche continue sur la surface interne du cylindre.
La figure VIII est également un tracé d'un agrandissement d'un film au ralenti, montrant la trajectoire du métal fonfu déchargé dans le moyen collecteur de l'appareillage des figures I à IV et VI, où la vitesse de rotation du cylindre est bien au dessus de celle requise pour causer la formation d'une couche continue de métal sur les surfaces internes du cylindre.
Dans les dessins, le cylindre rotatif 1 comprend une enve- loppe d'acier 2 ayant un revêtement réfractaire 4 sur lequel on peut placer une couche monolithique 6 en produit réfractaire approprié, par exemple de l'oxyde de magnésium. L'enveloppe d'acier 2 et les couches 4 et 6 ne sont pas différenciées dans les figures V et VI, étant donné que l'on montre ces figures principalement en vue d'illustrer un agencement d'appareillage plutôt que de donner des détails de structure. Toutefois, les détails structuraux de l'appareillage des figures I à IV con- viennent également pour l'appareillage des figures V et VI.
Le cylindre I est conçu pour tourner à des vitesses suffi- santes pour maintenir une couche continue de métal fondu recou- vrant la surface de la couche réfractaire interne 6. La rota- tion du cylindre est effectuée avec un moyen de commande non représenté. Le cylindre 1 possède en son extrémité de décharge
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10 une bague d'ajutage 12, construite de préférence en maté- riau réfractaire,.ayant la forme montrée dans la figure I et maintenue en place fermement contre l'enveloppe d'acier 2 au moyen de boulons 14, etc; est fixée également à l'enveloppe d'acier 2 une bague de retenue 15 qui sert de déflecteur entre, le capot collecteur 42 et le cylindre 1.
A l'extrémité d'alimer tation 16 du cylindre se trouve une bague de barrage 18 avec formation appropriée des contours de la couche isolante 4 et de la couche réfractaire 6 de manière à maintenir une couche de métal fondu dans le cylindre, la bague de barrage 18 s'étendant à une distance suffisante de la périphérie de l'enveloppe d'acier 2 pour assurer la décharge du métal fondu à l'extrémité de décharge 10 du cylindre. La bague d'ajutage 12 et l'inser- tion 20 à l'extrémité d'alimentation 16 du cylindre sont de préférence façonnées en carbone ou produit réfractaire analogue qui résiste aux alcalins forts aux températures du métal fondu subissant le traitement.
L'enveloppe d'acier 2 du cylindre 1 est avantageusement dotée de bandages 22 qui engagent des galets 24 de manière à assurer un mouvement de rotation aussi égal que possible du cylindre lorsque ce dernier est en rotation à une vitesse suf- fisante pour causer la formation d'une couche continue de métal fondu sur sa surface interne.
A cet égard on a trouvé que dans un cylindre rotatif comme celui montré dans la figure I, ayant par exemple un diamètre intérieur d'un pied (30,48 cm) et conçu pour une épaisseur de métal fondu d'environ un pouce (2,54 cm), une vitesse de rota- tion de l'ordre de 350 tours par minute est plus que suffisante pour assurer le maintien du fer fondu en une couche continue près du revêtement réfractaire durant l'opération.
A partir des dimensions et de la vitesse de rotation ci- dessus on peut facilement calculer qu'à l'interface revêtement-
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métal fondu il est; appliqué une force qui est environ 21 fois celle de la pesanteur, et qu'à la surface du métal fondu est appliquée une force qui est environ 17 fois celle de la pesan- teur. Ces calculs sont établis en déterminant l'accélération centripète, (Ac), en pied/seconde à partir de la vitesse en pied/seconde (V) et du rayon (r), suivant l'équation Ac= V2/r; la force appliquée, exprimée en pesanteur, est alors calculée à partir de la formule Ac/g, où g est l'accélération due à la pesanteur (980,6 cm/sec2 ou 32,17 pies/sec2).
Ces forces d'environ 17-21 fois celle de la pesanteur représentent ordinairement le maximum désirable pour régler la vitesse de rotation du cylindre, bien que l'on puisse utiliser des vitesses plus grandes de rotation conférant des forces. plus grandes ; forces moindres, de l'ordre de 10 à 12 fois celle de la pesanteur, conviennent pour la majorité des applica- tions de la présente invention.
Lorsque la force appliquée au métal fondu dans le cylindre, par exemple du fer, est moindre que 6 à 8 fois celle de la pesanteur, il se produit une chute en cascade du métal fondu à l'intérieur du cylindre ; dansl'éventualité où on utilise un composé fortement alcalin comme agent de traitement, par exemple de la soude caustique, l'éro- sion des réfractaires ordinaires dans le revêtement du cylindre rotatif est accélérée considérablement. Par conséquent, dans la mise en oeuvre.de la présente invention, au cas où on utilise ces agents de traitement fortement alcalins, on évitera la chute en cascade du métal fondu dans,le cylindre rotatif, et la force appliquée au métal fondu devra être suffisante pour maintenir ' une couche continue de celui-ci en contact avec le revêtement réfractaire.
A l'extrémité d'alimentation 16 du cylindre rotatif il est prévu un chenal 26 qui peut être conçu pour recevoir un agent de traitement chimique tel qu'un agent de désulfuration, par
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exemple de la soude caustique, par l'intermédiaire d'un tuyau de descente 30, lequel peut servir aussi de conduit de fumée, bien que la fumée dans cette région ne constitue pas un problème sérieux lorsqu'il est prévu ultérieurement dans le procédé une élimination des fumées, comme on le verra dans la description ci-après. On peut évidemment introduire séparément dans le cylindre l'agent de traitement et le métal. Le chenal 26 est alimenté en métal fondu à partir d'un moyen approprié 32, qui peut prendre la forme d'un"tundish" qui a son tour est alimenté par une poche ou une autre source appropriée.
Le chenal 26 et le tundish 32 sont de préférence garnis d'un matériau réfractaire approprié tel qu'un revêtement de car- bone 34 pour le chenal 26, au cas où l'on utilise des'agents de traitement fortement alcalins; on utilise un revêtement 36 de magnésie, etc, pour le tundish 32.
Dans le fonctionnement de l'appareillage des figures I à IV, conformément au procédé de la présente invention on introduit du métal fondu dans le tundish 32 et, à partir de cet' endroit, il s'écoule à travers le chenal26 dans le cylindre rotatif 1.
L'introduction du métal fondu et de l'agent de traitement se fait de préférence après que le cylindre rotatif a atteint une vitesse de rotation telle qu'une force 10 à 16 fois celle de la pesanteur est appliquée au métal fondu dans le cylindre; ainsi une couche continue de métal fondu est étalée sur toute la surface interne du cylindre.
Le cylindre étant en rotation pour produire les conditions ci-dessus, la couche continue 8 de métal fondu à proximité du revêtement réfractaire 6 aura nécessairement une vitesse de rotation differente de celle de la couche de l'agent de traite- ment 9, de même que du cylindre; cette différence des vitesses de rotation, conjointement avec la petite quantité de vibration inhérente caractéristique des cylindres en rotation, produit
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l'écoulement turbulent du métal fondu lorsqu'il se déplace suivant un parcours généralement en spirale d'une extrémité du cylindre à l'autre.
L'agent de traitement, qui est de préféren- ce du carbonate de sodium ou de la soude caustique, de préfé- rence cette dernière à cause de sa viscosité et aussi de sa masse, aura également une vitesse de rotation différente de celle du métal fondu et, par conséquent, il y aura à l'interface entre les couches une action de cisaillement'prononcée qui pro- voquera également un écoulement turbulent à la fois du métal fondu et de l'agent.de traitement.lorsqu'ils se déplacent d'une extrémité du cylindre à l'autre.
On estime que cette forte action de cisaillement, contri- buant à la turbulence à la fois du métal fondu et de l'agent de traitement, est la cause que leurs surfaces, à l'interface, sont continuellement dans un état de mouvement et par consé-- quent changent continuellement et -rapidement avec le temps en ce qui concerne les constituants que chacun présente à l'inter- face. De cette manière, une surface extraordinairement grande de métal fondu est exposée à une surface tout aussi grande d'agent de traitement, en un laps de temps très court, avec comme résultat qu'une très grande proportion des matières contaminentes du métal fondu sont soumises à un contact avec l'agent de traitement et sont éliminées du métal fondu dans cette même période de temps.
En outre, au cas où on se sert de soude caustique anhydre comme agent de traitement, celle-ci peut être à la température d'ébullition ou plus haut, particulièrement avec les métaux ferreux qui sont d'ordinaire désulfurés à des températures dé- passant 1371 C; par conséquent, la couche de soude caustique fondue peut être séparée légèrement du métal ferreux fondu par des vapeurs de soude caustique qui, en s'élevant à travers la couche de soude caustique fondue, y provoqueront une turbulence
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supplémentaire.
Au surplus, comme les couches de métal ferreux fondu et de soude caustique sont maintenues dans un champ supé- rieur à la.pesanteur,. la compression à l'interface peut causer également,,une diffusion de la soude caustique dans une certaine mesure dans le métal fondu, qui s'ajoute. à l'aire de contact totale de l'agent de désulfuration et du métal à l'interface, ce qui a pour effet de diminuer considérablement le temps de réaction pour l'enlèvement des impuretés.
Lorsque le métal fondu et l'agent de traitement chimique, dans le cas spécifique renseigné plus haut la soude caustique, quittent le cylindre à travers l'extrémité de décharge 10, les matières fluides suivent les contours internes de la bague d'ajutage 12, achevant ainsi le parcours substantiellement-en spirale qu'elles ont effectué à travers le cylindre rotatif, et elles sont.brutalement disloquées lorsqu'elles quittent l'extrémité de la bague d'ajutage tangentiellement à celle-ci.
Cet effet est représenté de manière saisissante dans les figu- res VII et VIII que l'on va décrire ci-après.
Cette dislocation brutale, au cas où la vitesse de rota- tion du cylindre est juste suffisante pour maintenir une couche continue de métal'fondu sur le côté intérieur du cylindre tour- nant, fait que le courant de'métal adopte un modèle de trajec- toire comme celui montré dans la figure VII, les particules de métal fondu et d'agent de traitement chimique étant relativement grandes et dans un état extrême de turbulence.
Lorsque le cylin- dre tourne à une vitesse suffisante pour conférer au métal fondu dans le cylindre une force de l'ordre de 12 à 16 fois celle de la pesanteur, le métal fondu,,lorsqu'il quitte le parcours en spirale qui a été tracé dans le cylindre rotatif, est encore . disloqué plus brutalement, étant désintégré en un grand nombre de particules relativement petites ayant un modèle de trajectoi-, re comme celui qui est montré dans la figure VIII.
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Un autre facteur à considérer sur ce point est que la soude caustique, ou le carbonate de sodium, à cause de leur tendance à se vaporiser aux températures auxquelles le fer et l'acier fondu sont par exemple désulfurés, constituent une at- mosphère extrêmement active en contact avec le métal fondu à la fois dans la zone d'entreposage de métal et d'avancement de métal, et dans la région où le parcours en spirale du métal est terminé et où le courant de métal est disloqué. Dans cette der- nière région il y a effectivement dispersion du métal fondu dans les vapeurs de l'agent de traitement.
Cette condition est évidemment produite par le fait que les particules de métal fondu, conjointement avec de la scorie et/ou de l'agent de trai- tement, sont propulsées à travers l'atmosphère active vers -le haut sur une courte distance, vers l'extérieur sur une distance plus grande, et finalement vers le bas avec une force considéra- ble dans une flaque 38 de métal fondu qui peut comporter une couche surnageante 40 de scorie ou autre agent de traitement .. chimique; de cette manière le métal fondu peut être soumis con- tinuellement au traitement chimique avant et pendant le captage en un corps continu dans le capot collecteur 42, comme montré dans les fig. II, III et IV.
Le métal fondu dans le capot de décharge 42 peut en être enlevé par le tuyau de décharge 44 pour aller à un moyen approprié de séparation du métal et de l'agent de traitement au cas où cet agent de traitement n'est pas vola- til à la température du métal fondu, ou bien le capot 42 peut être conçu pour qu'on y effectue la séparation du métal et de l'agent de traitement. Lorsqu'on utilise un agent de traitement comme la soude caustique ou le carbonate de sodium, on utilise de préférence un conduit de fumée 52, montré en place dans la , figure IV pour l'appareillage des figures I à IV, comme moyen de séparation de la matière volatilisée et du métal fondu.
Dans la figure V, le métal provenant de la poche 46 est
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introduit dans un chenal 26 comportant une plaque déflectrice 48 ; dans cet appareillage, le condùit de décharge 30 peut pren- dre la forme d'un entonnoir à travers lequel on introduit l'agent de traitement comme la soude caustique dans le chenal.
De même, le chenal 26 comport@ une couche réfractaire 50, de préférence en carbone ou matériau analogue résistant aux alcalis forts à la température du métal fondu, au cas où on utilise de la soude caustique ou du carbonate de sodium comme agent de traitement. En outre, on peut attacher au besoin un conduit de fumée 52 au chenal 26, bien que pour les raisons invoquées plus haut il soit préférable de placer le conduit de fumée dans le capot collecteur à l'extrémité de décharge du cylindre, de ma- nière à tirer un avantage maximum des vapeurs résultant du-con- tact de l'alcali avec le métal fondu.
Comme montré dans la figure VI, on peut employer en série plus d'un des cylindres rotatifs et des capots collecteurs mon- trés dans la figure I, en vue du traitement successif du métal, comme par exemple la désulfuration dans le premier cylindre rotatif et la déphosphoration avec une scorie oxydante dans le second cylindre rotatif, la scorie ou matière fondante étant introduite par l'alimentateur de fondant 56 dans le capot col- lecteur intermédiaire 42. Un traitement supplémentaire du métal fondu peut être effectué dans l'un ou l'autre cylindre ou dans les deux à la fois, disposés en série, par l'introduction d'un gaz comme de l'oxygène,
de manière à ce que l'atmosphère à l'in- térieur de l'appareillage contienne des constituants chimique- ment actifs en plus des vapeurs résultant du contact du métal fondu avec l'agent de traitement alcalin.
Les personnes qualifiées dans ce domaine comprendront qu', en appliquant les principes de la présente invention comme dé- crit plus haut et comme illustré dans les dessins, on peut obte nir facilement du métal "lavé" par un ou plusieurs agents de
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traitement du métal fondu, en l'occurrence le traitement chimi- que désiré étant accompli à un coût considérablement moindre.
, que le coût actuel de la préparation du fer au four à sole conformément à la pratique industrielle actuelle
Ceux qui sont versés dans ce domaine comprendront égale- ment que, bien que l'écoulement en équi-courant des agents-,,Çle traitement chimiques et du métal fondu soit ici illustré dans les dessins, on peut aussi effectuer le contact en contre- courant,de l'agent de traitement chimique et du métal fondu,. . ceci.étant considéré à la portée de la présente invention bien.
'que cette-pratique ne reçoive pas d'ordinaire la préférence, pour la raison qu'il est hautement souhaitable que le métal fondu soit associé à l'agent de traitement chimique lors de sa décharge à l'extrémité de décharge du cylindre rotatif au moment où le parcours en spirale suivi par le courant de métal fondu se termine et parce que le courant de métal fondu est disloqué et brisé en un grand nombre de particules relativement petites en entrant dans la chambre collectrice 42 de l'appareillage.
Au surplus, les divers agents de traitement gazeux pouvant être utilisés sont introduits dans le capot collecteur 42, là où les particules de métal fondu s'ont en leur forme la plus finement divisée, ou dans le cylindre rotatif, ou dans les deux à la fois, ce qui permet l'action double de ces agents gazeux et d'un agent de traitement chimique moins volatil, afin de-pouvoir réaliser cette double action en un stade opératoire unique et dans un seul élément d'appareillage, contrairement à la présente pratique de phases opératoires multiples dans plusieurs appa- reillages.
De la description ci-dessus, et conformément aux principes de la présente invention, il ressort qu'en introduisant le métal fondu dans le cylindre rotatif ou en conférant d'une autre manière un mouvement rotatoire au courant de métal fondu, le
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métal fondu se déplace à travers la zone d'entreposage de métal et d'avancement de métal suivant un parcours généralement en spirale, en étant soumis à un écoulement turbulent relativement violent.
Il ressort également que, l'agent de traitement étant soit un liquide, soit un gaz à la température du métal fondu, le contact de l'agent de traitement et du métal s'effectue pra- tiquement sur toute la surface exposée du métal, et que la tur- bulence de l'agent de traitement provient à la fois du mouvement rotatoire du métal et de son mouvement à travers la zone d'en- treposage de métal et d'avancement de métal.
Lorsque le métal fondu et l'agent de traitement quittent cette zone, le parcours généralement en spirale du courant de métal fondu est disloqué brutalement en raison de l'accélération centripète conférée par le mouvement de rotation, suite à quoi la direction d'écoulement du courant de métal fondu est changée radicalement, ce qui a pour effet de disloquer ou "atomiser" le courant de métal fondu continu pour former un grand nombre de particules relativement petites qui traversent l'atmosphère existant dans le capot col- lecteur à l'extrémité de décharge de l'appareillage, préalable- ment au rassemblement en un corps continu de métal fondu.
On voit par conséquent que le métal fondu, tant dans la zone d'en- treposage de métal et d'avancement de métal que dans la zone dans laquelle les particules de métal fondu sont recueillies en un corps continu, est dans la condition voulue pour une réaction maximum des contaminants avec l'agent de traitement chimique.
Afin que les personnes qualifiées puissent mieux comprendre la présente invention et afin de montrer la manière suivant la- quelle on applique les principes ci-dessus, on se propose de donner les exemples spécifiques suivants.
Exemple 1.
Dans un appareillage comme celui représenté dans les figures I à IV des dessins, le cylindre ayant un diamètre inté- rieur de 10-1/2 pouces (26,67 cm) à la bague d'ajutage est mis
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en rotation à une vitesse suffisante pour conférer une force d'environ 6 fois celle de la pesanteur à de la fonte brute fondue qui est introduite dans le cylindre à raison de 5 tonnes par heure, tandis que de la soude caustique anhydre est introduite dans le chenal allant au cylindre rotatif à rai- son de 20 livres (9,08 kg) par tonne de fer.
La fonte brute avant le traitement a la composition sui- vante :
EMI19.1
<tb> carbone <SEP> 3,95%
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,35%
<tb>
<tb> soufre <SEP> 0,044%
<tb>
Quatre minutes après la première introduction de fer et de soude caustique dans le cylindre rotatif, on prélève un échantillon du métal à l'extrémité de décharge du cylindre et on constate qu'il répond à l'analyse suivante :
EMI19.2
<tb> Carbone <SEP> 3,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> silicium <SEP> 0,64%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> soufre <SEP> moins <SEP> de <SEP> 0,002. <SEP> (x)
<tb>
(x) Ceci constitue la limite de précision de la méthode analytique employée.
On voit que 53% du silicium ont été enlevés de la fonte brute et que 96% du soufre ont été enlevés par le traitement 'ci-dessus.
Exemple.11.
Suivant le procédé de l'exemple I et dans le même appareil- lage employé à cette occasion on introduit de la fonte brute fondue dans le cylindre rotatif à raison de 10 tonnes à l'heure, tandis que la quantité de soude caustique anhydre alimentée dans le cylindre rotatif est de 20 livres (9,08 kg) par tonne de fonte brute. La vitesse de rotation est la même que celle de l' exemple, 1.
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L'effluent du capot collecteur est soutiré dans une poche et est recyclé à l'extrémité d'alimentation du cylindre rotatif de l'appareillage, sans réchauffage, et il-est introduit dans le cylindre rotatif avec une quantité additionnelle de soude caustique en paillettes, dans la proportion de 20 livres (9,08 kg) par tonne de métal fondu, le taux d'alimentation en métal fondu étant de 30 tonnes à l'heure.
La fonte brute préalablement au traitement dans le cylin- dre rotatif a eomme analyse :
EMI20.1
<tb> , <SEP> carbone <SEP> 4,02%
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,41%
<tb>
<tb> soufre <SEP> 0,049%
<tb>
Le fer traité recueilli dans la poche dans le premier' stade du procédé,-ci-dessus a comme analyse :
EMI20.2
<tb> carbone <SEP> 3,97
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,27%
<tb>
<tb> soufre; <SEP> 0,012%
<tb>
Suite au recyclage de la fonte:brute fondue du premier traitement, le métal fondu est à nouveau repris dans une poche et possède comme analyse :
EMI20.3
<tb> carbone <SEP> 3,96%
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,03%
<tb>
<tb> soufre <SEP> 0,007%
<tb>
Ceci montre l'efficacité de l'utilisation de-traitements successifs du métal avec un agent de traitement, comme montré schématiquement dans la figure VI des dessins. On notera de même que,'l'on né constate pas dans cette opération de chute substantielle de température au-delà de celle attendue en trans- férant le métal fondu de la poche collectrice de nouveau à l'extrémité d'alimentation du cylindre.
Exemple III.
On:introduit de la fonte brute'dans un-appareillage du
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même type que celui utilisé dans'l'exemple I, au taux de 8 ton- nes à l'heure. On introduit simultanément de la soude caustique dans le chenal alimentant le cylindre rotatif au taux de 20 li- vres (9,08 kg) de soude caustique par tonne de métal fondu. La vitesse de rotation est telle que la force appliquée au métal fondu à la bague d'ajutage est 7,25 fois celle de la pesanteur.
La fonte brute fondue alimentée dans le cylindre rotatif a l'analyse suivante :
EMI21.1
<tb> silicium <SEP> 1,38%
<tb>
<tb> soufre <SEP> 0,040%
<tb>
A l'extrémité de décharge du cylindre rotatif, le métal fondu recueilli dans le capot collecteur est vidé dans une poche; on prélève un échantillon pour l'analyse, obtenant les valeurs suivantes :
EMI21.2
<tb> silicium <SEP> 1,17%
<tb>
<tb> soufre <SEP> 0,008%
<tb>
Exemple IV.
En suivant exactement le même procédé que dans les exemples précédents, on introduit de la fonte brute fondue contenant 1,61% de silicium et 0,032% de soufre dans un cylindre rotatif, au même taux et avec la même quantité de soude caustique par tonne de métal fondu que ce que l'on a utilisé dans l'exemple précédent.
Employant ce procédé et prélevant un échantillon de l'ef- fluent à partir du capot collecteur environ 2 minutes après l'introduction du fer fondu, de la soude caustique et de l'oxy- gène dans le cylindre rotatif, on trouve que le métal traité contient 1,15% de silicium et 0,017% de soufre. Dans cet exemple, le cylindre est mis en rotation à une vitesse telle que la force appliquée au métal fondu est 7,25 fois celle de la pesanteur agissant sur le métal dans le cylindre.
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Exemple V.
De la fonte brute fondue est introduite dans un cylindre rotatif comme celui représenté dans la figure I, le capot col- lecteur ayant un couvercle amovible exposant toute l'extrémité de décharge du cylindre rotatif et une longueur substantielle au dessus et en-dessous de cette portion de l'appareillage. Le métal fondu est alimenté dans le cylindre rotatif au taux d'en- viron 5 tonnes à l'heure, le couvercle du capot collecteur étant enlevé pour exposer le métal qui est déchargé du cylindre.
Le cylindre étant mis en rotation à une vitesse telle qu'il impose au métal à la bague d'ajutage une force égale à environ
4,5 fois celle de la pesanteur, le métal fondu a@@chargé du cy- lindre a un modèle de gerbe ou trajectoire comme celle montrée dans la figure VII. Ces faits sont établis en prenant des ima- ges au-ralenti de l'extrémité de décharge du cylindre.
En augmentant la vitesse de rotation du cylindre au point que la force imposée au métal fondu à la bague d'ajutage est égale à 7,25 fois celle de la pesanteur, le métal sortant de l'extrémité de décharge du cylindre rotatif a un modèle de gerbe ou trajectoire du type montré dans la figure VIII, ceci étant . également établi par le mouvement ralenti d'images cinématogra- phiques prises au cours du fonctionnement du cylindre à cette vitesse, le métal fondu étant introduit dans ce dernier au taux indiqué plus haut.
Exemple VI.
On introduit de la fonte brute fondue dans l'appareillage employé dans les exemples précédents et on la traite avec de la soude caustique anhydre de la manière décrite, pendant une péri- ode appropriéé suffisante pour effectuer le traitement désiré. du métal. Après, on interrompt la source de métal fondu et de soude caustique et l'on continue la rotation du cylindre à une vitesse suffisante pour imposer au métal dans le cylindre une
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force égale à environ 8 fois celle de la pesanteur, et pendant une période suffisante pour permettre le refroidissement du métal fondu dans le cylindre jusqu'à son point de solidification après quoi on arrête la rotation du cylindre.
Par la suite, on fait de nouveau tourner le cylindre à la vitesse antérieure, tandis que les gaz chauds passent à travers afin de chauffer le métal très près de son point de fusion, et ensuite on introduit de nouvelles quantités de métal fondu et de soude caustique dans le cylindre pour un nouveau traitement.
Après ce dernier traitement, le cylindre est vidé de tout métal fondu, refroidi et examiné pour une avarie d'une quelcon- que de ses parties internes. On observe que dans les conditions de tous les exemples décrits plus haut, une couche continué de métal fondu est retenue contre le revêtement le plus interne du cylindre rotatif pour protéger ce revêtement de la soude caustique à la température de l'opération. En outre, on note qu'à l'exception d'une faible érosion du revêtement le plus interne, due probablement uniquement à la friction, on ne'con- state pas d'avarie interne dans le cylindre.
Bien que l'on ait décrit diverses formes de réalisation de l'invention, les procédés et problèmes décrits ne présentent pas un caractère limitatif pour la portée de l'invention, étant donné que l'on conçoit que certains changements peuvent y être apportés ; on désire en outre que chaque élément cité dans l'une quelconque des revendications suivantes soit compris comme se rapportant à tous éléments équivalents pour produire substantiel- lement les mêmes résultats d'une manière substantiellement iden- tique ou équivalente, vu que l'on désire couvrir l'invention largement quelle que soit la forme sous laquelle son principe ' peut être utilisé.
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The present invention relates to a physico-chemical process for treating molten metals for various applications, for example for producing alloys, for removing impurities, etc; they relate more particularly to a physico-chemical process for treating molten metals while a stream of molten metal is subjected to a turbulent flow limited to a generally spiral path; it relates more particularly still to a physicochemical process for the treatment of molten metals maintained in the condition of turbulent flow following a generally spiral path under the influence of forces greater than gravity.
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It has previously been proposed to treat metals in the molten state with various chemical agents to remove unwanted impurities such as sulfur, phosphorus, etc.
These methods have for the most part taught the necessity of intimately dispersing the chemical treating agents in the molten metal bath. The dispersion of the treating agent in the molten metal bath was done by various methods, for example by adding the agent to the molten metal in the pouring channel coming from the furnace, thus employing the force of the movement of the molten metal. upon impact with the metal in the receiving ladle to disperse the agent into the metal, or by adding the agent to the molten metal bath in the ladle and pouring the molten metal from one ladle into another , so that the treating agent supernatant of the molten metal bath is carried into the bath by the force of the metal stream as it is poured from one pocket to another.
This is particularly true with respect to alkaline treating agents for the removal of sulfur from pig iron, which removal is considered to be one of the most important operations in the production of merchant iron and steel.
Given the importance of the desulphurization of iron and steel industrially, the principles of the invention will be. described and illustrated below with regard to desulfurization; those familiar with the matter, however, will understand that the present invention is, in fact, an instrument for otherwise processing iron; steel and similar metals in the molten state; in order to remove unwanted constituents therefrom or to add desirable constituents thereto.
In the desulphurization of iron and steel; Various alkaline desulfurizing agents have been used in prior processes; the most common agent being commercial sodium carbonate or "calcined soda salt". We have understood for a long time
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time that a compound more alkaline than sodium carbonate would be, at least potentially, a more effective desulfurizing agent than sodium carbonate or less alkaline compounds of alkaline earth metals. The logical material for this application, existing in commerce, is obviously caustic soda.
Caustic soda, however, has never enjoyed widespread technical favor in desulphurization operations and has only been employed in rather complicated processes which are variants of the ladle recharge process mentioned above. , in order to protect refractory surfaces, etc., with which caustic soda comes into contact during the processing of the metal.
The difficulties encountered in the use of caustic soda or sodium carbonate in desulphurization operations stemmed mainly from the corrosive effect of these materials, at the temperature of the molten ferrous metals, on the refractory linings of the apparatus in which the desulfurization reaction takes place; this is particularly true for caustic soda which, at the temperature of the molten baths of ferrous metals, namely above about 1371 ° C., rapidly attacks these refractory materials.
Another difficulty encountered in the use of caustic soda, particularly in the desulphurization of ferrous metals, was the vaporization or conversion into smoke of molten caustic soda due to the temperatures of metal baths, which smoke in previous processes, posed a danger to those exposed to them.
Likewise, for example to produce alloys of ferrous metals, it was formerly the practice to add either a ferrous metal alloy, such as ferro-chromium, or ferro-chromium-silicon, in exothermic mixtures which, when added to the product. molten metal, undergo a reaction at temperature
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molten metal, releasing energy in the form of heat; alloy formation was thus effected by means of a chemical reaction yielding the desired metal to the molten metal bath. In these methods, it is common to effect the dispersion of the desired alloy metal in the base metal by pouring the molten metal bath together with the refining slag from ladle to ladle.
Those familiar with the game will understand that these methods are a rather coarse means of dispersing one metal into another, and lead to non-uniform results in the alloy ultimately obtained.
It has just been discovered presently, contrary to the teachings of previously known processes, that the chemical treatments and particularly the desulfurization of molten metals containing sulfur compounds and other undesirable impurities, can be carried out without the need to provide a phase. highly dispersed chemical treatment agent in the molten metal bath in the ladle or similar reservoir, and that this can be done advantageously without having to contact the treatment agent with the refractories of the. apparatus in which the chemical treatment takes place.
The importance of this feature of the invention will be immediately apparent to those skilled in the art.
It has also been found in accordance with the present invention that in the case where caustic soda, sodium carbonate or a mixture of these materials is used as a desulphurizing agent, and the fumes of these materials are maintained in contact with the molten metal for extended periods of time, these fumes lose their characteristic noxious properties and can be easily disposed of during desulphurization without constituting a danger to the personnel working in the field. desulfurization process.
One of the objects of the present invention is to provide a
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A physicochemical process for treating a molten metal, in which the treating agent need not be intimately dispersed in the molten metal bath.
Another object of the invention is to provide a process for the treatment of molten metals, in which process a stream of molten metal and treatment agent flowing in a generally spiral course is subjected to a turbulent flow. in a metal storage and advancement zone, the surfaces of the molten metal and of the treating agent thus continuously and rapidly exhibiting their freshly exposed portions to each other under their most physically and chemically reactive conditions.
Another object of the invention is to provide a continuous process for the treatment of molten metals in which a stream of molten metal and of treatment agent is broken up into small, discontinuous particles leaving the storage area: of metal and advancement of metal and during contact of treating agent and molten metal.
Another object of the present invention is to provide a method for removing impurities from molten ferrous metals containing sulfur compounds, silicon, phosphorus, etc., wherein the chemical treatment agent is kept out of contact with the materials. refractories of the apparatus in which the chemical reaction leading to the purification of the metal takes place.
Another object of the invention is to provide a process for the desulfurization of metals, in which process the fumes from the alkaline desulfurizing agent can be easily removed without danger to the personnel involved in the operation. tion.
These objects and other objects of the invention will appear to those qualified by a more detailed description of
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the invention given below.
In principle, the process of the present invention for the treatment of molten metals comprises the process steps of subjecting a stream of the metal to a turbulent flow limited to a generally spiral path, the course constituting a metal storage zone. and advancing metal for the molten metal under consideration, bringing that molten metal into contact with a treating agent, allowing the current to leave this path in an unconfined form, thereby breaking up the current and forming particles. discontinuous particles of molten metal, to collect these discontinuous particles as a continuous body of molten metal, and to separate this body of molten metal from the treatment agent and unwanted products resulting from contact with the metal melted and agent.
With regard specifically to the desulfurization, dephosphorization or removal of silicon from iron and steel, the term "alkali metal compound" or "alkali desulfurizing agent" as used herein includes mainly oxides, hydroxides, carbonates, bicarbonates and silicates of the alkali metals lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, as well as mixtures of these substances with each other, and with additives such as compounds of alkaline earth metals, for example calcium fluoride, which can be used to fulfill a specific function, for example as a flux (fusion and coalescence of occlusions) in the metal bath during chemical treatment.
The commercial forms of the alkali compounds mentioned above and used as chemical treatment agents are obviously mainly sodium compounds such as caustic soda, sodium carbonate and sodium silicate, which can be used in the process of the preparation. present invention in a combination
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Any desired reason for effecting specific treatments of a molten metal such as molten ferrous metals.
Those skilled in this art will also understand that the alkali metal compounds, specifically for desulfurization, etc., may also contain other flux additives in addition to or, in replacement of the calcium fluoride cited above, by example of metal borates. alkalis, other alkaline earth oxides or fluorides, aluminum oxides, ferric oxide, manganese oxides, vanadium oxides, rare earth compounds, etc.
However, in accordance with the present invention, these substances are preferably not of sufficient quality to destroy the desired effects of the treating agent at molten bath temperatures.
The term "turbulent flow" as used herein is to be understood in the technical sense with respect to fluid substances; employs it to characterize flow under conditions where there is turbulence of molten metal and treating agent streams, as opposed to natural, or quiescent, flow where there is no turbulence in the body of the flowing fluid.
When predicting the turbulent flow of molten metal and treating agent, the streams are regulated and confined so as to present to each other continuously changing fluid surfaces of substantially equal extent at the interface, totally avoiding interference. It is common practice to maintain the treating agent intimately dispersed in the molten metal bath.
A means to produce the flow. turbulent molten metal and processing agent, in accordance with the principles of the present invention, and to allow streams to exit the generally spiral path into the metal storage and metal advancement zone
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in an unconfined form, resulting in disruption of the streams and formation of discontinuous particles of molten metal in contact with the treating agent, consists of a rotating cylinder provided with means for imparting sufficient rotational speed to the cylinder to cause the formation of a continuous mouth of molten metal on the internal surfaces of the cylinder.
The principles of the present invention will be discussed in more detail with reference to the accompanying drawings which form part of the invention.
Figure I is a vertical section, with some parts removed, of an apparatus suitable for treating molten metals in accordance with the principles of the present invention.
Figure II is an isometric view of a means for fitting molten metal from the discharge end of the apparatus of Figure I, the manifold means having a portion of the front cover removed to expose the discharge end of the apparatus of Figure I and having an opening, not shown in Figure I, for a flue.
Figure III is a vertical section of the collecting means. of Figure II, seen in the direction of the line A-A.
Figure IV is a side view of the manifold means of Figure II, with the front cover in place, the internal structure being indicated by broken lines, and showing a smoke stack in place.
Figure V is a schematic representation of a variant of the apparatus of Figure I, with some parts removed, a variant specifically designed for the addition of the treating agent to the molten metal in a casting channel going to the apparatus of Figure I, the metal being supplied to the ohenal from a pocket.
Figure VI is a schematic view showing a variant of the apparatus of Figures I and V, where the molten metal can
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undergo treatment in two successive stages by arranging two or more units of the apparatus in series.
Figure VII is a plot of an enlargement of a slow motion film showing the pattern of the trajectory of molten metal discharging into the collecting means of an apparatus of the type shown in Figures I to IV and VI, where the cylinder rotates at about the critical speed, that is, the rate at which the centripetal acceleration imparted to the metal undergoing treatment is just sufficient to maintain the molten metal as a continuous layer on the internal surface of the cylinder.
Figure VIII is also a plot of an enlargement of a film in slow motion, showing the trajectory of the fonfu metal discharged into the collecting means of the apparatus of Figures I to IV and VI, where the speed of rotation of the cylinder is indeed above that required to cause a continuous layer of metal to form on the internal surfaces of the cylinder.
In the drawings, the rotary cylinder 1 comprises a steel casing 2 having a refractory coating 4 on which a monolithic layer 6 of suitable refractory material, for example magnesium oxide, can be placed. The steel casing 2 and layers 4 and 6 are not differentiated in Figures V and VI, as these figures are shown primarily for the purpose of illustrating an arrangement of equipment rather than giving details. of structure. However, the structural details of the apparatus of Figures I to IV are also suitable for the apparatus of Figures V and VI.
Cylinder I is designed to rotate at speeds sufficient to maintain a continuous layer of molten metal covering the surface of inner refractory layer 6. Rotation of the cylinder is effected with control means not shown. Cylinder 1 has at its discharge end
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A nozzle ring 12, preferably constructed of refractory material, having the shape shown in Figure I and held in place firmly against the steel shell 2 by means of bolts 14, etc; Also fixed to the steel casing 2 is a retaining ring 15 which serves as a deflector between the manifold cover 42 and the cylinder 1.
At the feed end 16 of the cylinder there is a barrier ring 18 with appropriate formation of the contours of the insulating layer 4 and of the refractory layer 6 so as to maintain a layer of molten metal in the cylinder, the ring of dam 18 extending at a sufficient distance from the periphery of the steel casing 2 to ensure the discharge of the molten metal at the discharge end 10 of the cylinder. The nozzle ring 12 and the insert 20 at the feed end 16 of the cylinder are preferably formed of carbon or the like refractory which is resistant to strong alkalis at the temperatures of the molten metal undergoing treatment.
The steel casing 2 of the cylinder 1 is advantageously provided with tires 22 which engage rollers 24 so as to ensure as equal a rotational movement as possible of the cylinder when the latter is rotating at a speed sufficient to cause formation of a continuous layer of molten metal on its inner surface.
In this connection it has been found that in a rotating cylinder like that shown in Figure I, having for example an inside diameter of one foot (30.48 cm) and designed for a molten metal thickness of about one inch (2 , 54 cm), a speed of rotation of the order of 350 revolutions per minute is more than sufficient to ensure that the molten iron is maintained in a continuous layer near the refractory lining during the operation.
From the dimensions and the speed of rotation above one can easily calculate that at the interface coating-
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molten metal it is; applied a force which is about 21 times that of gravity, and to the surface of the molten metal is applied a force which is about 17 times that of gravity. These calculations are established by determining the centripetal acceleration, (Ac), in feet / second from the speed in feet / second (V) and the radius (r), according to the equation Ac = V2 / r; the applied force, expressed in gravity, is then calculated from the formula Ac / g, where g is the acceleration due to gravity (980.6 cm / sec2 or 32.17 pies / sec2).
These forces of about 17-21 times that of gravity are usually the maximum desirable for controlling the rotational speed of the cylinder, although higher rotational speeds imparting forces can be used. greater ; Lesser forces, on the order of 10 to 12 times that of gravity, are suitable for the majority of applications of the present invention.
When the force applied to the molten metal in the cylinder, for example iron, is less than 6 to 8 times that of gravity, there is a cascade fall of the molten metal inside the cylinder; In the event that a strongly alkaline compound is used as the treating agent, for example caustic soda, the erosion of ordinary refractories in the coating of the rotating cylinder is accelerated considerably. Therefore, in the practice of the present invention, in the event that these strongly alkaline treating agents are used, the cascading fall of the molten metal into the rotating cylinder will be avoided, and the force applied to the molten metal should be avoided. sufficient to maintain a continuous layer thereof in contact with the refractory lining.
At the feed end 16 of the rotating cylinder there is provided a channel 26 which can be designed to receive a chemical treatment agent such as a desulfurization agent, for example.
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example of caustic soda, via a downpipe 30, which can also serve as a flue, although the smoke in this region is not a serious problem when provided later in the process. elimination of fumes, as will be seen in the description below. It is obviously possible to introduce the treatment agent and the metal separately into the cylinder. The channel 26 is supplied with molten metal from a suitable means 32, which may take the form of a "tundish" which in turn is supplied by a ladle or other suitable source.
Channel 26 and tundish 32 are preferably lined with a suitable refractory material such as carbon liner 34 for channel 26, in case strongly alkaline treatment agents are used; a coating 36 of magnesia, etc., is used for the tundish 32.
In the operation of the apparatus of Figures I to IV, in accordance with the method of the present invention molten metal is introduced into the tundish 32 and from there it flows through the channel 26 into the rotating cylinder. 1.
The introduction of the molten metal and the treating agent is preferably done after the rotating cylinder has reached a rotational speed such that a force 10 to 16 times that of gravity is applied to the molten metal in the cylinder; thus a continuous layer of molten metal is spread over the entire internal surface of the cylinder.
With the cylinder rotating to produce the above conditions, the continuous layer 8 of molten metal in proximity to the refractory lining 6 will necessarily have a different speed of rotation than the layer of treating agent 9, likewise. that of the cylinder; this difference in rotational speeds, together with the small amount of inherent vibration characteristic of rotating cylinders, produces
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the turbulent flow of molten metal as it moves in a generally spiral path from one end of the cylinder to the other.
The treating agent, which is preferably sodium carbonate or caustic soda, preferably the latter because of its viscosity and also because of its mass, will also have a rotational speed different from that of the metal. molten metal and hence there will be a pronounced shearing action at the interface between the layers which will also cause turbulent flow of both the molten metal and the treating agent as they move. from one end of the cylinder to the other.
It is believed that this strong shearing action, contributing to the turbulence of both the molten metal and the treating agent, is the cause that their surfaces, at the interface, are continuously in a state of motion and by therefore, change continuously and rapidly over time with respect to the constituents that each presents at the interface. In this manner, an extraordinarily large area of molten metal is exposed to an equally large area of treating agent, in a very short period of time, with the result that a very large proportion of the contaminants of the molten metal are subjected to contact with the treatment agent and are removed from the molten metal in this same period of time.
Further, in case anhydrous caustic soda is used as the treating agent, this may be at boiling point or higher, particularly with ferrous metals which are usually desulfurized at temperatures above. 1371 C; therefore, the molten caustic soda layer can be separated slightly from the molten ferrous metal by caustic soda vapors which, rising through the molten caustic soda layer, will cause turbulence therein
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additional.
In addition, since the layers of molten ferrous metal and of caustic soda are maintained in a field greater than weightlessness. compression at the interface can also cause diffusion of the caustic soda to some extent in the molten metal, which adds to it. to the total contact area of the desulfurization agent and the metal at the interface, which has the effect of considerably reducing the reaction time for the removal of impurities.
When the molten metal and the chemical treatment agent, in the specific case indicated above, caustic soda, leave the cylinder through the discharge end 10, the fluids follow the internal contours of the nozzle ring 12, thus completing the substantially spiral path which they have taken through the rotating cylinder, and they are abruptly dislocated as they leave the end of the nozzle ring tangentially thereto.
This effect is strikingly represented in Figures VII and VIII which will be described below.
This sudden dislocation, in the event that the rotational speed of the cylinder is just sufficient to maintain a continuous layer of molten metal on the inner side of the rotating cylinder, causes the metal stream to adopt a path pattern. roof like that shown in Figure VII, the particles of molten metal and chemical treatment agent being relatively large and in an extreme state of turbulence.
When the cylinder rotates at a speed sufficient to impart to the molten metal in the cylinder a force of the order of 12 to 16 times that of gravity, the molten metal, as it leaves the spiral path which has been traced in the rotating cylinder, is still. more abruptly dislocated, being disintegrated into a large number of relatively small particles having a trajectory pattern like that shown in Figure VIII.
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Another factor to be considered on this point is that caustic soda, or sodium carbonate, because of their tendency to vaporize at the temperatures at which iron and molten steel are, for example, desulfurized, constitute an extremely active atmosphere. in contact with molten metal both in the metal storage and advancement zone, and in the region where the spiral path of the metal is terminated and the metal stream is dislocated. In this latter region there is effectively a dispersion of the molten metal in the vapors of the treatment agent.
This condition is obviously produced by the fact that the particles of molten metal, together with slag and / or treating agent, are propelled through the active atmosphere upwards for a short distance, towards outward a greater distance, and finally downward with considerable force into a puddle 38 of molten metal which may have a supernatant layer 40 of slag or other chemical treatment agent; in this way the molten metal can be continuously subjected to the chemical treatment before and during the collection into a continuous body in the collecting hood 42, as shown in figs. II, III and IV.
The molten metal in the discharge hood 42 can be removed therefrom through the discharge pipe 44 to go to a suitable means of separating the metal and the treating agent in the event that this treating agent is not volatile. at the temperature of the molten metal, or the cover 42 may be designed so that the separation of the metal and the treating agent is carried out therein. When using a treating agent such as caustic soda or sodium carbonate, preferably a flue 52, shown in place in Figure IV for the apparatus of Figures I to IV, is used as the separation means. volatilized material and molten metal.
In Figure V, the metal from pocket 46 is
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introduced into a channel 26 comprising a deflector plate 48; in this apparatus, the discharge line 30 may take the form of a funnel through which the treatment agent such as caustic soda is introduced into the channel.
Likewise, the channel 26 comprises a refractory layer 50, preferably of carbon or similar material resistant to strong alkalis at the temperature of the molten metal, in the event that caustic soda or sodium carbonate is used as the treatment agent. In addition, a flue 52 can be attached to the channel 26 if necessary, although for the reasons given above it is preferable to place the flue in the collector hood at the discharge end of the cylinder, otherwise. This will ensure that maximum benefit is obtained from the vapors resulting from the contact of the alkali with the molten metal.
As shown in figure VI, more than one of the rotary rollers and collecting caps shown in figure I can be used in series for the successive treatment of the metal, such as for example desulphurization in the first rotary cylinder and dephosphorization with an oxidizing slag in the second rotating cylinder, the slag or flux being introduced through the flux feeder 56 into the intermediate manifold cover 42. Further treatment of the molten metal can be carried out in either or. another cylinder or in both at the same time, arranged in series, by the introduction of a gas such as oxygen,
so that the atmosphere inside the apparatus contains chemically active constituents in addition to the vapors resulting from contact of the molten metal with the alkaline treating agent.
Those skilled in the art will understand that by applying the principles of the present invention as described above and as illustrated in the drawings, metal "washed" by one or more cleaning agents can readily be obtained.
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treatment of the molten metal, in this case the desired chemical treatment being accomplished at considerably less cost.
, that the current cost of preparing the iron in a deck oven in accordance with current industrial practice
Those skilled in the art will also understand that, although the equilibrium flow of chemicals and molten metal is illustrated herein in the drawings, the countercontact can also be effected. current, chemical treatment agent and molten metal ,. . this being considered within the scope of the present invention well.
This practice is not usually preferred, for the reason that it is highly desirable that the molten metal be associated with the chemical treatment agent as it is discharged at the discharge end of the rotating cylinder at the same time. when the spiral path followed by the stream of molten metal ends and because the stream of molten metal is dislocated and broken into a large number of relatively small particles on entering the collecting chamber 42 of the apparatus.
In addition, the various gaseous treatment agents which can be used are introduced into the collecting hood 42, where the molten metal particles are in their most finely divided form, or in the rotating cylinder, or both at the bottom. times, which allows the double action of these gaseous agents and a less volatile chemical treatment agent, in order to be able to achieve this double action in a single operating stage and in a single piece of equipment, unlike the present practice of multiple operating phases in several devices.
From the above description, and in accordance with the principles of the present invention, it will be seen that by introducing the molten metal into the rotating cylinder or otherwise imparting a rotary motion to the stream of molten metal, the
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Molten metal moves through the metal storage and metal advancement zone in a generally spiral path, being subjected to a relatively violent turbulent flow.
It also emerges that, the treatment agent being either a liquid or a gas at the temperature of the molten metal, the contact of the treatment agent and the metal takes place almost over the entire exposed surface of the metal, and that the turbulence of the treating agent arises from both the rotational movement of the metal and its movement through the metal storage and advancement zone.
As the molten metal and the treating agent leave this zone, the generally spiral path of the molten metal stream is abruptly dislocated due to the centripetal acceleration imparted by the rotational movement, whereupon the flow direction of the stream of molten metal is changed drastically, which has the effect of breaking up or "atomizing" the continuous stream of molten metal to form a large number of relatively small particles which pass through the atmosphere existing in the manifold hood at the end. discharge of the apparatus, prior to gathering into a continuous body of molten metal.
It will therefore be seen that the molten metal, both in the metal storage and advancement zone and in the zone in which the particles of molten metal are collected as a continuous body, is in the desired condition for. maximum reaction of contaminants with the chemical treatment agent.
In order that those skilled in the art may better understand the present invention and in order to demonstrate the manner in which the above principles are applied, it is intended to give the following specific examples.
Example 1.
In an apparatus such as that shown in Figures I through IV of the drawings, the cylinder having an inside diameter of 10-1 / 2 inches (26.67 cm) to the nozzle ring is placed.
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rotating at a speed sufficient to impart a force of about 6 times that of gravity to the molten pig iron which is introduced into the cylinder at a rate of 5 tons per hour, while anhydrous caustic soda is introduced into the channel going to the rotary cylinder at the rate of 20 pounds (9.08 kg) per ton of iron.
The pig iron before treatment has the following composition:
EMI19.1
<tb> carbon <SEP> 3.95%
<tb>
<tb> silicon <SEP> 1.35%
<tb>
<tb> sulfur <SEP> 0.044%
<tb>
Four minutes after the first introduction of iron and caustic soda into the rotating cylinder, a sample of the metal is taken from the discharge end of the cylinder and found to respond to the following analysis:
EMI19.2
<tb> Carbon <SEP> 3.905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> silicon <SEP> 0.64%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sulfur <SEP> less <SEP> of <SEP> 0.002. <SEP> (x)
<tb>
(x) This constitutes the precision limit of the analytical method employed.
It is seen that 53% of the silicon has been removed from the pig iron and that 96% of the sulfur has been removed by the above treatment.
Example 11.
According to the process of Example I and in the same apparatus employed on this occasion, molten pig iron is introduced into the rotary cylinder at a rate of 10 tonnes per hour, while the quantity of anhydrous caustic soda fed into the rotary cylinder. the rotating cylinder is 20 pounds (9.08 kg) per ton of pig iron. The speed of rotation is the same as that of the example, 1.
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The effluent from the collector hood is withdrawn into a bag and is recycled to the supply end of the rotary cylinder of the apparatus, without reheating, and it is introduced into the rotary cylinder with an additional quantity of caustic soda flakes , in the proportion of 20 pounds (9.08 kg) per ton of molten metal, the molten metal feed rate being 30 tons per hour.
The pig iron before treatment in the rotary cylinder has to be analyzed:
EMI20.1
<tb>, <SEP> carbon <SEP> 4.02%
<tb>
<tb> silicon <SEP> 1.41%
<tb>
<tb> sulfur <SEP> 0.049%
<tb>
The treated iron collected in the ladle in the first step of the process, above has as analysis:
EMI20.2
<tb> carbon <SEP> 3.97
<tb>
<tb> silicon <SEP> 1.27%
<tb>
<tb> sulfur; <SEP> 0.012%
<tb>
Following recycling of the cast iron: molten crude from the first treatment, the molten metal is again taken up in a ladle and has as analysis:
EMI20.3
<tb> carbon <SEP> 3.96%
<tb>
<tb> silicon <SEP> 1.03%
<tb>
<tb> sulfur <SEP> 0.007%
<tb>
This shows the effectiveness of using successive treatments of the metal with a treating agent, as shown schematically in Figure VI of the drawings. It will also be noted that, in this operation, no substantial drop in temperature is observed beyond that expected by transferring the molten metal from the collection ladle back to the feed end of the cylinder.
Example III.
On: introduced pig iron 'into an apparatus of the
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same type as used in Example I, at the rate of 8 tons per hour. Caustic soda is simultaneously introduced into the channel feeding the rotary cylinder at the rate of 20 pounds (9.08 kg) of caustic soda per tonne of molten metal. The speed of rotation is such that the force applied to the molten metal at the nozzle ring is 7.25 times that of gravity.
The molten pig iron fed into the rotating cylinder has the following analysis:
EMI21.1
<tb> silicon <SEP> 1.38%
<tb>
<tb> sulfur <SEP> 0.040%
<tb>
At the discharge end of the rotating cylinder, the molten metal collected in the collecting hood is emptied into a pocket; a sample is taken for analysis, obtaining the following values:
EMI21.2
<tb> silicon <SEP> 1.17%
<tb>
<tb> sulfur <SEP> 0.008%
<tb>
Example IV.
By following exactly the same process as in the previous examples, molten pig iron containing 1.61% silicon and 0.032% sulfur is introduced into a rotating cylinder, at the same rate and with the same quantity of caustic soda per ton of molten metal than what was used in the previous example.
Employing this method and taking a sample of the effluent from the collector hood about 2 minutes after the introduction of molten iron, caustic soda and oxygen into the rotating cylinder, the metal was found to be treated contains 1.15% silicon and 0.017% sulfur. In this example, the cylinder is rotated at a speed such that the force applied to the molten metal is 7.25 times that of gravity acting on the metal in the cylinder.
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Example V.
Molten pig iron is introduced into a rotating cylinder like that shown in Figure I, the collecting hood having a removable cover exposing the entire discharge end of the rotating cylinder and a substantial length above and below it. portion of the apparatus. Molten metal is fed into the rotating cylinder at the rate of about 5 tons per hour with the manifold cover removed to expose the metal which is discharged from the cylinder.
The cylinder being rotated at a speed such that it imposes on the metal at the nozzle ring a force equal to approximately
4.5 times that of gravity, the molten metal charged to the cylinder has a spray pattern or trajectory like that shown in Figure VII. These facts are established by taking idle images of the discharge end of the cylinder.
By increasing the rotational speed of the cylinder to the point that the force imposed on the molten metal at the nozzle ring is 7.25 times that of gravity, the metal exiting from the discharge end of the rotating cylinder has a pattern spray or trajectory of the type shown in Figure VIII, this being. also established by the slow motion of motion pictures taken during operation of the cylinder at this speed, the molten metal being introduced into the cylinder at the rate indicated above.
Example VI.
Molten pig iron is introduced into the apparatus employed in the preceding examples and treated with anhydrous caustic soda as described, for a suitable period sufficient to effect the desired treatment. metal. Then, the source of molten metal and caustic soda is interrupted and the rotation of the cylinder is continued at a speed sufficient to impose on the metal in the cylinder a
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a force equal to about 8 times that of gravity, and for a period sufficient to allow the cooling of the molten metal in the cylinder to its point of solidification after which the rotation of the cylinder is stopped.
The cylinder is then rotated again at the previous speed, while the hot gases pass through to heat the metal very close to its melting point, and then new amounts of molten metal and soda are introduced. caustic in the cylinder for further treatment.
After this last treatment, the cylinder is emptied of all molten metal, cooled and examined for damage to any of its internal parts. It is observed that under the conditions of all the examples described above, a continuous layer of molten metal is retained against the innermost coating of the rotating cylinder in order to protect this coating from the caustic soda at the operating temperature. Furthermore, it is noted that with the exception of a slight erosion of the innermost coating, probably due only to friction, no internal damage is observed in the cylinder.
Although various embodiments of the invention have been described, the disclosed methods and problems are not limiting on the scope of the invention, as it is understood that certain changes may be made thereto; it is further desired that each element recited in any of the following claims be understood to relate to all equivalent elements to produce substantially the same results in a substantially identical or equivalent manner, as it is desired to cover the invention widely regardless of the form in which its principle may be used.