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Procédé d'élaboration de l'acier par voie électro- pneumatique.
La présente invention se rapporte à un procédé d'élaboration de l'acier par voie électro-pneumatique.
On sait qu'après avoir connu une phase de développements importants, il y a une vingtaine d'années. les procédés d'élaboration de l'acier par voie électrique et spécialement par fusion à l'arc électrique à partir de mitrailles, ont subi un certain ralentissement en ce qui concerne l'augmentation àe la puissance des fours électriques propres à les mettre en oeuvre. La littérature de l'époque permet de constater que les puissances spécifiques appliquées aux mitrailles dans les fours électriques de grosse capacité ne dépassent guère 200 kVA par tonne chargée, et que les temps de fusion des charges dans de tels fours sont de l'ordre de'4 à 5 heures.
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Plus récemment, dans la dernière décennie, la mise . au point de nouvelles techniques a permis de réduire sensiblement ce temps de fusion, jusqu'à des valeurs variant entre 2 et 3 heures. Cette réduction a été obtenue grâce notamment à la construction de transformateurs à très haute puissance, pouvant délivrer, notamment aux fours à arc de grande capacité (jusqu'à
200 tonnes) une puissance spécifique dont les valeurs s'élèvent: à 500 kw par tonne et plus. Il devenait ainsi possible d'envisager la fabrication des aciers de masse par voie électrique, ce qui jusqu'alors, n'avait pu se réaliser que par voie pneumatique ou sur sole.
On a cependant été amené à constater que les pro- cédés d'élaboration d'acier, découlant de l'utilisation de ces techniques plus récentes, présentaient encore certains inconvénients qui en limitaient le domaine des utilisations intéressantes.
Parmi ces inconvénients, on peut notamment citer le fait que la transmission de calories au métal (spécialement à partir de l'arc électrique) est de plus en plus lente au fur et à mesure que l'opération de fusion s'avance.' La vitesse de trans- fert des calories au métal étant plus faible en fin d'opération qu'au début, lorsque les mitrailles étaient froides, on est amené, soit à attendre le temps nécessaire (considéré comme trop long)' pour que toute la charge soit fondue, soit à couler le métal avant qu'il ne soit complètement fondu. Dans l'un comme dans l'autre cas, ceci constitue un inconvénient important.
Un autre désavantage de ces procédés réside dans le fait que l'on peut difficilement atteindre dans l'acier des teneurs finales en azote comparables à celles obtenues facilement dans les récents procédés d'affinage à l'oxygène. En effet, alors que par ces procédés à oxygène, on obtient facilement des teneurs en azote de l'ordre de 20.10 -4 %, la teneur , les teneurs en azote obtenues au moyen des procédés électriques sont le plus souvent situées aux environs de 100.10-4%
Afin de pallier cet inconvénient, il a déjà été proposé d'introduire dans le bain métallique des tubes en matériaux consommables au travers desquels on insuffle de l'oxygène dans le métal fondu. tette opération est effectuée en fin de fusion, sans toutefois interrompre le processus de la fusion par voie électrique.
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Une telle manière de procéder ne permet 1'introduction que de quantités d'oxygène limitées (correspondant au maximum à 0,2% ;Carbone). Les avantages que l'on retire d'une telle pratique . (abaissement de la teneur finale du bain en azote jusqu'à 60,10-4%, et léger gain de productivité) sont faibles eu égard au fait que le maintien de la fusion pendant l'introduction des tubes consom- mables et l'insufflation d'oxygène conduit à des complications technologiques importantes.
La présente invention a pour objet un procédé per- mettant de remédier à ces inconvénients.
Le procédé objet de la présente invention est essen- tiellement caractérisé en ce que, au cours d'une première phase réalisée dans une cuve convenant pour exécuter par voie électrique la fusion de mitrailles d'acier et,'ou de fonte, ainsi que leur affinage subséquent, on enfourne une charge constituée de mitrailles d'acier, de fondants, de matières carbonées en quantités appro- priées, et éventuellement de fonte liquide, en ce que l'on soumet cette charge à une opération de fusion 'et d'affinage, par voie électrique, jusqa'à ce que de 70% à 95% et de préférence environ
85% des matériaux métalliques de la charge soient fondus et en ce que ladite opération est alors continuée et terminée au cours d'une seconde phase en remplaçant la voie électrique par une voie pneumatique,
par injection d'oxygène techniquement pur sur et/ou dans le bain de métal, les calories nécessaires à cette seconde phase étant au moins partiellement fournies par l'oxydation des matières carbonées enfournées avec la charge.
L'affinage terminé, on peut suivant la pratique courante, procéder à la mise à nuance et à la coulée de l'acier.
Suivant une variante avantageuse du procédé de l'invention, la première phase de l'opération est réalisée par arc électrique délivrant à la charge une puissance spécifique d'au moins 300 kVA/tonne de charge métallique, ce qui permet.de fondre rapidement et avec un rendement élevé la plus grande partie des mitrailles chargées.
La phase pneumatique subséquente se fait suivant des modalités analogues à celles du procédé LD, qui allie la facilité de contrôle à la rapidité des réactions. '
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.
Le procédé objet de la présente invention présente par rapport aux procédés antérieure, des avantages bien nets, panais lesquels on peut signaler un abaissement de la teneur finale en azote de l'acier (jusqu'à 20.10-4%) et une diminution sensible de la durée totale de l'affinage.
Ce dernier point peut être mis en lumière gràce aux indications comparatives tirées de l'exemple ci-après:
Le temps nécessaire pour fondre, par voie électrique, les 85% d'une charge déterminée est de 75 minutes; suivant ce même procédé, le temps nécessaire pour terminer la fusion et affiner le métal est de 30 minutes, soit au total 105 minutes pour l'en- semble des deux opérations de fusion et d'affinage. Par contre, suivant le procédé de l'invention, le temps nécessaire pour ter- miner la fusion et affiner le métal par voie pneumatique (la première phase par voie électrique restant inchangée) est de 10 minutes, à savoir 5 minutes pour retirer,les électrodes hors de l'appareil d'affinage et y introduire la lance à oxygène, et 5 minutes de soufflage.
Le temps total selon le procédé de l'in- vention est donc de 85 minutes, ce qui constitue un gain de 20% par rapport aux procédés connus.
Le procédé de l'invention permet en outre de' diminuer sensiblement la quantité totale d'énergie fournieà la charge. Cette quantité qui, dans le cas de l'élaboration compléte par vola électrique est de 450 kW/t, n'est en effet plus que 340 kw/t.dans le cas où la fin -de la fusion et l'affinage sont réelisés par voie pneumatique,
Un autre avantage du procédé de l'invention consiste dans le fait qu'il parmet de couvris' l'élaboration d'une gamme d'acier dont les teneurs en carbone peuvent varier de 0,05% à 1%.
Il suffit en effet d'ajuster à l'avance la quantité de carbone introduite dans la charge au début de la premiére phase, et,/vu de faire varier le pourcentage de mitrailles fondues pendant la phase électrique.
L'exempta donné ci-après permet de mieux se rendre compte de la façon dont le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre, et quels avantages on peut en retirer.
On introduit dans un four électrique une charge froide constituée de 1050 kg de mitrailles, 40 kg de chaux et
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' 6 7cg de Spath fluor. Cette charge est soumise pendant une premièèe phase qui dure 75 minutes, à une fusion par voie d'arc électrique au cours de laquelle 65% des mitrailles sont fondues.
A ce moment, le bain métallique présente les caractéristiques suivantes: - fraction liquide: 850 kg à 1550 C infondu: 150 kg dont la température moyenne estimée est de 600 C - scorie: 75 kg à 1500 C - fer dans la scorie : 5% - fer oxydé: 3,75 kg.
Suivant l'invention, le métal est alors soumis pendant 5 minutes environ à une seconde phase, au cours de laquelle on insuffle par le haut. de l'oxygéne dans le bain, conformément
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au procédé LD. Le débit est de 1"" ordxe de 4 à 5 NIn 3 It. mL,..
A la fin de cette seconde phase, on obtient: . - aciers 1000 kg à 1600 C
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scorie: 112 Tccr à 16.)O"C - i- twwn. 4 -¯...':'c.. rsa.
- fer oxydé: 19 kg teneur finale en N2: 0,002%
Conformément à ce qui a été signalé plus haut, la consommation totale d'énergie a été de 340 kW/t selon le procédé de l'invention, zu lieu des 450 kW/t nécessaires pour effectuer les mnêmes opérations de fusion et d'affinage entièrement par voie électrique.
Le tableau ci-après résume le bilan thermique de la seconde phase de l'affinage. Sur un total de.66.250 k.cal néces- saires à cette seconde phase, 16.650 k.cal peuvent être fournies directement par l'oxydation de fer de la scorie tandis que le . surplus (soit 49.600 k.cal) doit être fourni par un agent exonyhermique présent au bain métallique au début du soufflage.
Si, à cet effet, on décide d'utiliser un agent contenant au carbone, on peut calculer qu'il faut fournir au bain 15,3 kg de carbone/t., c'est-à-dire élever de 1,5% sa teneur initiale en carbone.
La durée de soufflage de cette seconde phase sera, comme indiqué plus haut, d'environ 5 minutes puisque l'on doit insuffler au total environ 20 Nm3/t avec un débit de l'ordre de
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4 à 5 Nm 3 /t. min. ''
Bilan thermique de la seconde phase (par tonne de métal).
A. Besoins théoriques.
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<tb>
<tb>
Echauffement <SEP> de <SEP> la <SEP> fraction <SEP> liquide
<tb>
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850 kg x 50"C x 0,2 k.cal/kg."C 8.500 k.cal Fusion et échauffement des infondus 150 kg x 258 7c. ca1/kg = 38., 700 k. cal Echauffement de la scorie 75 kg x 500C x 0,28 k.cal/kg. C 1.050 k.cal
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<tb>
<tb> Perte <SEP> thermique <SEP> (remplacement <SEP> des <SEP> électrodes,
<tb> durée <SEP> d'affinage, <SEP> dimension <SEP> du <SEP> four, <SEP> aspect
<tb> ' <SEP> et <SEP> diamètre <SEP> du <SEP> bec...) <SEP> -18.000 <SEP> k.cal
<tb>
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Total * 66. 250 k.cal
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<tb>
<tb>
<tb> B. <SEP> Chaleur <SEP> apportée
<tb> Scorification <SEP> du <SEP> fer <SEP> supplémentaire
<tb>
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15, 25 kg x 1225 cal -t- 18.700 7c. cal , Echaufferaent de l'oxygène correspondant 3, 62 Nm x 580 k-cal/Nm 3 2.
050 1-c.cal
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<tb>
<tb> oxyda-,ion <SEP> du <SEP> carbone <SEP> initial <SEP> de <SEP> la <SEP> charge
<tb> (transformé <SEP> en <SEP> CO <SEP> à <SEP> raison <SEP> de <SEP> 85%)
<tb> 15,3 <SEP> kg <SEP> x <SEP> 3.870 <SEP> cal <SEP> - <SEP> 59.100 <SEP> k.cal
<tb> Echauffement <SEP> de <SEP> l'oxygéne <SEP> correspondant
<tb>
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16g :m3 x 580 c¯ cal/Iàta3 9.500 k. cal
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<tb>
<tb> Total <SEP> 66.250 <SEP> k.cal
<tb>
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L'élaboration au four électrique peut évidemment . être interrompue à un autre moment que celui indiqué dans l'exem- ple non limitatif ci-dessus.
Dans ce cas, la fraction liquéfiée du bain métallique est différente de 85%, de même que la teneur en carbone nécessaire pour terminer l'affinage. Cette teneur peut être déterminée grâce à l'abaque de la figure jointe.. Cet abaque indique en ordonnée le pourcentage dont il faut relever la teneur en carbone du bain métallique en fin de phase électrique, pour pouvoir achever sa fusion et son affinage par voie pneumatique. Il indique en abscisse le poucentage de charge liquéfié après la phase électrique.
Il peut s'utiliser comme suit: si on désire terminer la phase électrique avec un pourcentage déterminé de charge liquéfiée, on repère sur la courbe de l'abaque, le point dont l'abscisse correspond à ce pourcentage; l'ordonnée de ce point indique directement le pourcentage supplémentaire de carbone qu'il est nécessaire .. d'introduire dans le bain pour pouvoir terminer, par voie pneumatique, la fusion et l'affinage d'une charge métallique dont le pourcentage liquéfié correspond à la'valeur choisie.
Il y a encore lieu de noter que les quantités de carbone nécessaires peuvent être abaissées, si, à la fin de la phase de fusion, on ajoute au bain des agents exothermiques tels que Si, Al, CaSi, etc...
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Electro-pneumatic steel production process.
The present invention relates to a process for producing steel by electro-pneumatic means.
We know that after having experienced a phase of important developments, some twenty years ago. the processes of elaboration of steel by electrical means and especially by fusion with the electric arc starting from scrap, underwent a certain slowing down as regards the increase in the power of the electric furnaces suitable for implementing them . The literature of the time shows that the specific powers applied to the scrap metal in large-capacity electric furnaces hardly exceed 200 kVA per tonne loaded, and that the charge melting times in such furnaces are of the order of '4 to 5 hours.
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More recently, in the last decade, the setting. the development of new techniques has made it possible to significantly reduce this melting time, to values varying between 2 and 3 hours. This reduction was obtained thanks in particular to the construction of very high power transformers, able to deliver, in particular to large capacity arc furnaces (up to
200 tons) a specific power whose values amount to: 500 kw per ton and more. It thus became possible to envisage the manufacture of mass steels electrically, which until then had only been possible by pneumatic means or on hearth.
However, it has been found that the steel-making processes resulting from the use of these more recent techniques still had certain drawbacks which limited their field of interesting uses.
Among these disadvantages, one can in particular quote the fact that the transmission of calories to the metal (especially from the electric arc) is more and more slow as the melting operation progresses. The speed of transfer of the calories to the metal being slower at the end of the operation than at the beginning, when the grapeshot was cold, we either have to wait the necessary time (considered too long) for the whole charge either molten or to sink the metal before it is completely molten. In either case, this constitutes a significant drawback.
Another disadvantage of these processes resides in the fact that it is difficult to achieve final nitrogen contents in steel comparable to those easily obtained in recent oxygen refining processes. Indeed, while by these oxygen processes, nitrogen contents of the order of 20.10 -4% are easily obtained, the content, the nitrogen contents obtained by means of the electrical processes are most often around 100.10. -4%
In order to overcome this drawback, it has already been proposed to introduce into the metal bath tubes of consumable materials through which oxygen is blown into the molten metal. This operation is carried out at the end of the fusion, without however interrupting the fusion process by electrical means.
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Such a procedure only allows the introduction of limited quantities of oxygen (corresponding to a maximum of 0.2%; carbon). The advantages that we get from such a practice. (lowering of the final nitrogen content of the bath to 60.10-4%, and slight gain in productivity) are low in view of the fact that the maintenance of the melting during the introduction of the consumable tubes and the insufflation of oxygen leads to significant technological complications.
The object of the present invention is a process which makes it possible to remedy these drawbacks.
The process which is the subject of the present invention is essentially characterized in that, during a first phase carried out in a vessel suitable for carrying out electrically the melting of steel and / or cast iron scrap, as well as their. Subsequent refining, a charge consisting of steel scrap, fluxes, carbonaceous materials in appropriate quantities, and possibly liquid cast iron, is placed in a charge, in that this charge is subjected to a smelting operation. refining, electrically, to 70% to 95% and preferably about
85% of the metallic materials of the charge are melted and in that said operation is then continued and completed during a second phase by replacing the electrical route with a pneumatic route,
by injection of technically pure oxygen onto and / or into the metal bath, the calories required for this second phase being at least partially supplied by the oxidation of the carbonaceous materials charged with the load.
Once the refining is finished, it is possible, according to current practice, to proceed with the grading and casting of the steel.
According to an advantageous variant of the method of the invention, the first phase of the operation is carried out by electric arc delivering to the load a specific power of at least 300 kVA / tonne of metal load, which makes it possible to melt rapidly and with a high yield the greater part of the loaded grapeshot.
The subsequent pneumatic phase is carried out according to modalities similar to those of the LD process, which combines ease of control with rapidity of reactions. '
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.
The process which is the subject of the present invention presents clear advantages over previous processes, parsnips which can be noted a reduction in the final nitrogen content of the steel (up to 20.10-4%) and a significant reduction in the total ripening time.
This last point can be highlighted thanks to the comparative indications taken from the example below:
The time required to electrically melt the 85% of a determined charge is 75 minutes; according to this same process, the time required to complete the melting and to refine the metal is 30 minutes, ie a total of 105 minutes for all of the two melting and refining operations. On the other hand, according to the process of the invention, the time necessary to complete the melting and to refine the metal pneumatically (the first phase electrically remaining unchanged) is 10 minutes, namely 5 minutes to remove the metal. electrodes out of the refining apparatus and insert the oxygen lance therein, and 5 minutes of blowing.
The total time according to the process of the invention is therefore 85 minutes, which constitutes a gain of 20% compared with the known processes.
The method of the invention further enables the total amount of energy supplied to the load to be substantially reduced. This quantity which, in the case of the complete elaboration by electric vola is 450 kW / t, is in fact no more than 340 kw / t. In the case where the end of the melting and the refining are realized pneumatically,
Another advantage of the process of the invention consists in the fact that it covers the production of a range of steel whose carbon contents may vary from 0.05% to 1%.
It suffices in fact to adjust in advance the quantity of carbon introduced into the charge at the start of the first phase, and / seen to vary the percentage of molten scrap during the electrical phase.
The exemption given below makes it easier to understand how the process of the invention can be implemented, and what advantages can be obtained therefrom.
A cold charge made up of 1050 kg of scrap, 40 kg of lime and
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'6 7cg of fluorspar. This charge is subjected during a first phase which lasts 75 minutes, to a melting by means of an electric arc during which 65% of the scrap metal is melted.
At this time, the metal bath has the following characteristics: - liquid fraction: 850 kg at 1550 C unfelted: 150 kg with an estimated average temperature of 600 C - slag: 75 kg at 1500 C - iron in the slag: 5% - oxidized iron: 3.75 kg.
According to the invention, the metal is then subjected for approximately 5 minutes to a second phase, during which it is blown from above. oxygen in the bath, according to
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to the LD process. The flow is 1 "" ordxe from 4 to 5 NIn 3 It. mL, ..
At the end of this second phase, we obtain:. - steels 1000 kg at 1600 C
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slag: 112 Tccr to 16.) O "C - i- twwn. 4 -¯ ... ':' c .. rsa.
- oxidized iron: 19 kg final N2 content: 0.002%
In accordance with what has been indicated above, the total energy consumption was 340 kW / t according to the process of the invention, instead of the 450 kW / t required to carry out the same melting and refining operations. entirely electrically.
The table below summarizes the heat balance of the second phase of refining. Out of a total of 66,250 k.cal required for this second phase, 16,650 k.cal can be supplied directly by the iron oxidation of the slag while the. surplus (ie 49,600 k.cal) must be supplied by an exo-thermal agent present in the metal bath at the start of blowing.
If, for this purpose, it is decided to use an agent containing carbon, it can be calculated that it is necessary to supply the bath with 15.3 kg of carbon / t., That is to say to raise by 1.5% its initial carbon content.
The blowing time of this second phase will be, as indicated above, approximately 5 minutes since a total of approximately 20 Nm3 / t must be blown with a flow rate of the order of
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4 to 5 Nm 3 / t. min. ''
Thermal balance of the second phase (per tonne of metal).
A. Theoretical needs.
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<tb>
<tb>
Heating <SEP> of <SEP> the <SEP> fraction <SEP> liquid
<tb>
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850 kg x 50 "C x 0.2 k.cal/kg."C 8.500 k.cal Melting and heating of unfused 150 kg x 258 7c. ca1 / kg = 38., 700 k. cal Heating of the slag 75 kg x 500C x 0.28 k.cal/kg. C 1.050 k.cal
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<tb>
<tb> <SEP> thermal loss <SEP> (replacement <SEP> of the <SEP> electrodes,
<tb> refining <SEP> duration, <SEP> dimension <SEP> of the <SEP> oven, <SEP> aspect
<tb> '<SEP> and <SEP> diameter <SEP> of the <SEP> nozzle ...) <SEP> -18.000 <SEP> k.cal
<tb>
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Total * 66.250 k.cal
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<tb>
<tb>
<tb> B. <SEP> Heat <SEP> provided
<tb> Scoring <SEP> of the additional <SEP> iron <SEP>
<tb>
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15, 25 kg x 1225 cal -t- 18,700 7c. cal, will heat up corresponding oxygen 3, 62 Nm x 580 k-cal / Nm 3 2.
050 1-c.cal
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<tb>
<tb> oxida-, ion <SEP> of the <SEP> carbon <SEP> initial <SEP> of <SEP> the <SEP> charge
<tb> (transformed <SEP> into <SEP> CO <SEP> at <SEP> reason <SEP> of <SEP> 85%)
<tb> 15.3 <SEP> kg <SEP> x <SEP> 3.870 <SEP> cal <SEP> - <SEP> 59.100 <SEP> k.cal
<tb> Heating <SEP> of <SEP> the corresponding oxygen <SEP>
<tb>
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16g: m3 x 580 c¯ cal / Iàta3 9.500 k. cal
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<tb>
<tb> Total <SEP> 66.250 <SEP> k.cal
<tb>
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Elaboration in an electric oven can obviously. be interrupted at a time other than that indicated in the nonlimiting example above.
In this case, the liquefied fraction of the metal bath is different from 85%, as is the carbon content necessary to complete the refining. This content can be determined using the abacus of the attached figure. This abacus indicates on the ordinate the percentage of which the carbon content of the metal bath at the end of the electrical phase must be noted, in order to be able to complete its melting and its refining by means of pneumatic. It indicates on the abscissa the percentage of charge liquefied after the electrical phase.
It can be used as follows: if it is desired to end the electrical phase with a determined percentage of liquefied charge, on the curve of the abacus, the point whose abscissa corresponds to this percentage; the ordinate of this point directly indicates the additional percentage of carbon which is necessary .. to introduce into the bath in order to be able to finish, by pneumatic means, the melting and refining of a metal charge whose liquefied percentage corresponds at the chosen value.
It should also be noted that the quantities of carbon required can be lowered if, at the end of the melting phase, exothermic agents such as Si, Al, CaSi, etc. are added to the bath.