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Dans le brevet principal, on a décrit un procédé de traitement d'une masse de métal récemment coulé pour réduire la dimension de la cavi- té de retrait se formant normalement pendant la solidification du métal.
On place la buse d'un brûleur au-dessus de la surface supérieure de la coulée et on dirige la flamme d'un gaz constitué par un mélange d'oxygène et d'un gaz combustible, jaillissant de cette buse contre ladite surface de la coulée, ce qui oblige cette coulée à se solidifier progressivement du bas vers le haute Le procédé est caractérisé en ce que le rapport de la vitesse de mélange du combustible à la proportion d'oxygène au gaz com- bustible et à la distance entre la buse et la surface supérieure de la cou- lée soit tel que l'action de la flamme se manifeste tout d'abord en un point éloigné de la face de la 'buse du brûleur.
Pour obtenir une telle flamme, on préfère calculer l'écoulement du mélange oxygène-gaz combustible à une vitesse de débit comprise entre 60 et 300 mètres par seconde (quantité d'écoulement du gaz superficie to- tale de l'orifice = débit), et que le rapport du volume d'oxygène au gaz combustible dans le mélange soit maintenu dans les limites comprises entre 1,3: 1 et 1,8 1. De préférence, la buse est espacée de la surface su- périeure de la coulée d'une distance comprise entre 6 et 31 cm.
On a maintenant découvert qu'il était préférable de maintenir le rapport du volume d'oxygène au volume 'du gaz combustible entre 1,3 : 1 et 1,8 : 1 pour le gaz naturel, entre 2,5 : 1 et 4 :1 pour le propane et entr 0,5 :1 et 1,1 s 1 pour le gaz de four à coke et le gaz d'éclairage.
On a également découvert que dans certaines circonstances, on avait avan- tage à modifier le traitement d'une masse de métal fraîchement coulé en introduisant des scories sur la surface supérieure de cette coulée.
Ces scories peuvent être constituées par des matériaux naturels, tels que la wollastonite ou par des matériaux synthétiques spécialement préparés. L'utilisation des scories présente les divers avantages suivants l'élimination de 1 appauvrissement des éléments facilement oxydables de l'acier, une chauffe utilisant des rappots plus élevés entre l'oxygène et le gaz combustible, permettant d'obtenir des flammes à des températures plus élevées, et possibilité de traiter efficacement des lingots de gran- des dimensions.
Lorsqu'on traite des lingots de petites dimensions, jusqu'à en- viron 38 cm de côté au carré, et compte tenu des caractéristiques du mé- tal, le but essentiel de l'introduction des scories est d'empêcher l'oxy- dation des éléments, pouvant provoquer une porosité de la tête chauffée de la coulée, l'élément principal en question étant le carbone. On peut traiter de nombreux aciers alliés en utilisant des flammes d'un mélange gazeux oxygène-combustible, pour de plus petits lingots, sans recourir aux scories pour jouer le rôle d'une barrière.
Lorsqu'on traite des lingots de grandes dimensions, le problème se pose tout différemment. La solidification des lingots s'exprime par la formule suivante
EMI1.1
où T = temps de la solidification du lingot (minutes)
K =-coefficient dépendant des propriétés de coulage du lingot et du temps de chauffe et d = la plus petite dimension du lingot (cm)
En utilisant cette formule, et en supposant pour simplifier que
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K = 1, le temps de solidification d'un lingot carré de 25 cm de c8té est 25 minutes, tandis que pour un lingot de 75 cm de coté, ce temps augmente jusqu'à 225 minutes. Il en résulte que les lingots de grandes dimensions restent exposés à l'effet oxydant des produits de combustion du mélange oxygène-gaz pendant une durée -proportionnellement plus longue.
Ainsi, on peut considérer que si 1' oxydation n'est pas un facteur important pour des petits lingots ayant des ca@actéristiques chimiques déterminées, le pro- blème devient de plus en plus ardu au fur et à mesure qu'on traite des lingots plus importants. Par exemple, on pourrait chauffer des lingots en acier inoxydable du type 304 ayant une dimension de 25 x 25 cm avec un rapport d'oxygène au gaz naturel de 1,5 : 1. Pour des lingots de grandes dimensions, par exemple 55 x 63 cm, on devra réduire ce rapport jusqu'à 1,1 ;1 pour remédier à l'oxydation provoquée par les produits de combus- tion. Avec un tel rapport, la chaleur émanant des produits de combustion n'est plus suffisante pour traiter efficacement le lingot.
La difficulté provient de la formation des scories poudreuses sur la surface du métal pendant la chauffe. Ces scories en poudre contiennent probablement des quantités considérables d'oxyde de chrome qui est hautement réfractaire.
Ce propriétés réfractaires des scories produisent un degré considérable de réflexion de la chaleur, ce qui a pour effet de diminuer sensiblement la quantité de chaleur disponible pour traiter le métal. Lorsqu'il s'agit d'acier inoxydable 321, les résultats sont également peu satisfaisants, bien que ces scories aient un caractère pâteux.
On a effectué les premières expériences en mettant du verre pilé sur la tête de la coulée avant l'application de la chauffe. Ce procédé s'est avéré satisfaisant dans la plupart des cas. Dans certains cas toute- fois, on préfère incorlorer des scories synthétiques plutôt que du verre pilé, car les scories sythétiques ont une composition chimique plus uniforme, leur viscosité peut être réglée, leurs dimensions sont mieux réglées et elles sont plus facilement obtenables dans le commerce. Ces scories pré- sentent cependant l'inconvénient de coûter cher.
Pour traiter des lingots à l'échelle industrielle, il est sou- haitable dans certains cas d'ajouter aux scories synthétiques des maté- riaux exothermiques. Le matériau exothermique donne de la chaleur à la tête de la coulée, et retarde sa solidification jusqu'au moment où la cuil- ler de coulée s'est déplacée suffisamment pour que les lingots se trouvent au-dessous des becs chauffants. Le délai s'écoulant entre le moment d'in- co:.poration des scories et le début de la chauffe constitue un facteur im- portant. Pour traiter un lingot de 23 x 23 cm, on a ajouté des scories -- comprenant un mélange de 60 % de scoriessynthétiques (Si230 %, Cao.Al2O3.
2SiO@50 %, et 2MgO Si020 %) et 40 % de periclase sur la tête de la coulée, et immédiatement après, on a commencé le traitement thermique à la flamme.
La vitesse élevée de la flamme a eu pour effet d'éjecter les scories de la tête de la coulée. Il est souhaitable de laisser passer un petit laps de temps entre l'addition des scories et le début de la chauffe pour per- mettre une fonte partielle de ces scories. Pour des aciers rapides et a- ciers à outils de types variés, une couche de wollastonite @ -----a été efficace pour empêcher l'oxydation des éléments de l'acier.
Les exemples suivants permettront une meilleure compréhension de l'invention.
EXEMPLE 1.
On a chauffé un lingot en acier inoxydable 430 mesurant 38 x 71 cm et pesant 2.877 kgs à l'aide débit horaire d'oxygène de 26,3 m3 et d'un
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débit horaire de gaz naturel de 18,7 m3, la flamme étant du genre décrit ci-dessus. La chauffe a duré 50 minutes. En utilisant des scories, la chute de tête a été de 4,1 %, alors que pour des lingots traités de façon classique, la chute de tête était de 10 %. Il n'aurait pas été possible de chauffer la tête de la coulée à l'aide d'un mélange oxygène-gaz naturel avec un tel rapport sur un lingot de cette dimension sans addition de sco- ries.
EXEMPLE 2.-
On a chauffé un lingot en acier inoxydable 304 mesurant 55 x 71 cm et pesant 30171 kgs à l'aide d'un débit horaire d'oxygène de 46,4 m3 et d'un débit horaire de propane de 13,6 m3, en ajoutant des scories de verre pilé et en utilisant une flamme comme ci-dessus. Le rendement du lingot a été de 88 % compte-tenu de la chute supérieure, de la chute infé- rieure et de la perte par oxydation. Un lingot coulé par un procédé clas- sique pour permettre la comparaison a donné un rendement de 80 %. Encore une fois, on n'aurait pas pu chauffer la tête de ce lingot sans utiliser de scories.
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In the main patent a method of treating a mass of recently cast metal has been described to reduce the size of the shrinkage cavity normally formed during solidification of the metal.
The nozzle of a burner is placed above the upper surface of the casting and the flame of a gas consisting of a mixture of oxygen and a combustible gas is directed, spouting from this nozzle against said surface of the casting. The process is characterized in that the ratio of the fuel mixing speed to the proportion of oxygen to the fuel gas and the distance between the nozzle and the upper surface of the flow is such that the action of the flame first manifests itself at a point remote from the face of the burner nozzle.
To obtain such a flame, it is preferred to calculate the flow of the oxygen-fuel gas mixture at a flow rate of between 60 and 300 meters per second (quantity of gas flow total area of the orifice = flow rate), and that the ratio of the volume of oxygen to fuel gas in the mixture be kept within the limits of 1.3: 1 to 1.8 1. Preferably, the nozzle is spaced from the upper surface of the melt. 'a distance between 6 and 31 cm.
It has now been found that it is preferable to maintain the ratio of the volume of oxygen to the volume of fuel gas between 1.3: 1 and 1.8: 1 for natural gas, between 2.5: 1 and 4: 1 for propane and input 0.5: 1 and 1.1 s 1 for coke oven gas and lighting gas.
It has also been found that in certain circumstances it has been advantageous to modify the treatment of a mass of freshly cast metal by introducing slag on the upper surface of that casting.
These slags can be constituted by natural materials, such as wollastonite or by specially prepared synthetic materials. The use of slag has the various advantages of eliminating the depletion of easily oxidizable elements of the steel, heating using higher ratios between oxygen and fuel gas, making it possible to obtain flames at temperatures higher, and the ability to efficiently process large ingots.
When processing ingots of small dimensions, up to about 38 cm square, and taking into account the characteristics of the metal, the essential purpose of the introduction of the slag is to prevent oxy- dation of the elements, which can cause porosity of the heated head of the casting, the main element in question being carbon. Many alloy steels can be processed using flames of an oxygen-fuel gas mixture, for smaller ingots, without the need for slag to act as a barrier.
When dealing with large ingots, the problem arises quite differently. The solidification of ingots is expressed by the following formula
EMI1.1
where T = time of solidification of the ingot (minutes)
K = -coefficient depending on the casting properties of the ingot and the heating time and d = the smallest dimension of the ingot (cm)
Using this formula, and assuming for simplicity that
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K = 1, the solidification time for a 25 cm square ingot is 25 minutes, while for a 75 cm side ingot, this time increases to 225 minutes. As a result, large ingots remain exposed to the oxidizing effect of the combustion products of the oxygen-gas mixture for a proportionally longer time.
Thus, it can be considered that while the oxidation is not an important factor for small ingots having determined chemical characteristics, the problem becomes more and more difficult as the ingots are processed. more important. For example, one could heat type 304 stainless steel ingots having a dimension of 25 x 25 cm with an oxygen to natural gas ratio of 1.5: 1. For large ingots, for example 55 x 63 cm, this ratio should be reduced to 1.1: 1 to remedy the oxidation caused by the combustion products. With such a ratio, the heat emanating from the combustion products is no longer sufficient to effectively treat the ingot.
The difficulty arises from the formation of powdery slag on the surface of the metal during heating. These powdered slags probably contain considerable amounts of chromium oxide which is highly refractory.
This refractory properties of the slag produces a considerable degree of heat reflection, which has the effect of significantly reducing the amount of heat available to process the metal. In the case of 321 stainless steel, the results are also unsatisfactory, although this slag has a pasty character.
The first experiments were carried out by placing crushed glass on the head of the casting before the application of the heater. This process has been found to be satisfactory in most cases. In some cases, however, it is preferred to incorporate synthetic slag rather than crushed glass, since synthetic slags have a more uniform chemical composition, their viscosity can be adjusted, their dimensions are better controlled and they are more easily obtainable commercially. . However, this slag has the disadvantage of being expensive.
To process ingots on an industrial scale, it is desirable in some cases to add exothermic materials to the synthetic slag. The exothermic material gives heat to the head of the casting, and retards its solidification until such time as the casting spoon has moved enough so that the ingots are below the heating nozzles. The time elapsing between the moment of inco: .portation of the slag and the start of heating is an important factor. To process a 23 x 23 cm ingot, slag was added - comprising a mixture of 60% synthetic scoriess (Si230%, Cao.Al2O3.
2SiO @ 50%, and 2MgO Si020%) and 40% periclase on the casting head, and immediately thereafter, the flame heat treatment was started.
The high speed of the flame had the effect of ejecting the slag from the head of the casting. It is desirable to allow a small period of time to pass between the addition of the slag and the start of heating to allow partial melting of this slag. For high speed steels and tool steels of various types, a layer of @ ----- wollastonite has been effective in preventing oxidation of the steel components.
The following examples will provide a better understanding of the invention.
EXAMPLE 1.
A 430 stainless steel ingot measuring 38 x 71 cm and weighing 2.877 kgs was heated using the hourly flow rate of oxygen of 26.3 m3 and a
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hourly flow rate of natural gas of 18.7 m3, the flame being of the type described above. The heating lasted 50 minutes. Using slag the head drop was 4.1%, while for conventionally processed ingots the head drop was 10%. It would not have been possible to heat the head of the casting using an oxygen-natural gas mixture at such a ratio on an ingot of this size without the addition of slag.
EXAMPLE 2.-
A 304 stainless steel ingot measuring 55 x 71 cm and weighing 30,171 kgs was heated using an hourly oxygen flow rate of 46.4 m3 and an hourly propane flow rate of 13.6 m3, in adding crushed glass slag and using a flame as above. The yield of the ingot was 88% taking into account the upper drop, lower drop and oxidation loss. An ingot cast by a conventional method for comparison gave an 80% yield. Again, we could not have heated the head of this ingot without using slag.