Procédé de décarburation d'alliages de fer. La présente invention concerne l'enlève ment de carbone d'alliages de fer par in sufflation de gaz. Elle est particulièrement applicable au traitement d'alliages de fer et de chrome, mais peut égalerrrent être uti- lisée aux alliages de fer avec du manganèse, du tungstène et d'autres métaux.
Lorsqu'on réduit du chrome en partant de ses minerais par les méthodes les plus directes, en faisant usage d'un agent réduc teur carbonacé et de conditions propres à assurer une bonne récupération de chrome, le rapport de chrome à carbone dans le pro duit de réduction tend à tomber à environ 10, ou même moins. Ainsi, un ferrochrome à haute teneur en carbone peut contenir environ 70 % de chrome et environ 7 % de carbone. Dans bien des alliages de fer et de chrome, un rapport beaucoup plus élevé de chrome à carbone est nécessaire.
Dans le cas extrême d'un alliage résistant à la rouille, dont l'usage se répand beaucoup à l'heure actuelle et dont divers types con tiennent du chrome dans les limites appro- ximatives de 9 % à 18 %, avec pas plus de 0,12 %, et souvent beaucoup moins, de carbone, un rapport chrome à carbone de 100 à 1 ou davantage est habituellement nécessaire. Lorsqu'on veut faire de ces pro duits à rapport élevé, on peut fondre et ré duire le minerai de chrome de façon à ob tenir un produit contenant moins de car bone que le ferrochrome à haute terreur en carbone; ou bien on peut faire d'abord ce dernier alliage et le traiter ensuite pour élever son rapport chrome à carbone.
Par exemple : on peut effectuer la fusion ci) réduisant le minerai avec des agents autres que le carbone, ou en réduisant si multanément du chrome et du silicium en formant par cela môme un alliage qui est, par nature, à faible teneur en carbone.
D'au tre part, on peut faire d'abord ni) ferro chrome à haute teneur en carbone et brûler une partie du carbone sous un laitier riche en oxyde de chrome, le métal étant ensuite désoxydé et fini par des opérations conve nables. _ On a également proposé de souffler dans le ferrochrome de l'air ou de l'oxygène pour effectuer une décarburation partielle ;
mais, autant qu'on le sache, ces procédés n'ont pas été utilisés industriellement et économi quement, antérieurement à la présente in vention, pour élever le rapport chrome à carbone à plus d'environ 30 parce que, de la façon dont on les a mis en pratique jus qu'à présent, les pertes en chrome et les autres difficultés rencontrées ont rendu les procédés non économiques pour une réduc tion plus poussée de la teneur en carbone. En particulier, à la connaissance des au teurs de l'invention, on a pas décarburé, industriellement et économiquement, d'alliage de fer et de chrome contenant plus de 4 % de carbone en y insufflant des gaz pour produire un alliage contenant moins de 2 % de carbone et plus de 60 % de chrome.
Les auteurs de l'invention ont démontré que de hauts rapports chrome à carbone, et en particulier des rapports supérieurs à 30, ne peuvent pas être atteints économi quement par soufflage d'air en faisant usage de la technique connue. Ils sont également découvert que, malgré les meilleures récupé rations de chrome que l'on peut obtenir en faisant usage de vent enrichi en oxygène, un tel vent n'est pas non plus économique lorsqu'on en fait usage dans le convertisseur soufflé par le bas. La raison en est que la borine marche du procédé exige que le mé tal soit amené à des températures tellement élevées que le garnissage du convertisseur, quelle que soit sa composition, est rapide ment détruit, spécialement autour des tuyè res.
Des difficultés d'un même genre se rencontrent lors de la décarburation d'al liages de fer avec le manganèse, le tung stène ou d'autres métaux encore.
Dans le procédé qui fait l'objet de l'in vention pour la décarburation, par soufflage, d'alliages de fer ayant un rapport de métal d'alliage à carbone inférieur à 30, et dans lequel une partie au moins de la décarbu- ration est effectuée par application d'un vent sensiblement plus riche en oxygène que l'air, on applique ledit vent à la surface de l'al liage fondu, pour protéger l'appareil dans lequel l'alliage est contenu durant le souf flage, et on effectue le soufflage jusqu'à ce que le rapport de métal d'alliage à carbone soit sensiblement relevé et atteigne une va leur supérieure à 30.
Dans l'application du procédé aux allia ges contenant du chrome, un vent conte- nant 60 %, ou davantage, d'oxygène est préférable et les récupérations de chrome sont améliorées à mesure qu'on augmente la teneur en oxygène. Un vent d'oxygène industriellement pur est préférable dans cer tains cas.
L'usage d'un vent enrichi en oxygène élève la température du convertis seur et augmente le taux de la perte de chrome, mesurée en kilogrammes de chrome oxydé dans l'unité de temps ; mais l'oxyda tion du carbone est plus fortement accélé rée que les pertes de chrome et une propor tion plus économique est par cela même établie entre les deux.
On conduit donc 10 soufflage dans un convertisseur soufflé par côté, ou un appa reil équivalent, de façon que le vent frappe sur la surface du bain. On a cru, jusqu'à présent, qu'on ne pourrait pas, en faisant usage d'air fortement enrichi ou d'oxygène pur, effectuer avec succès et d'une façon économique une décarburation d'alliages de fer dans un convertisseur du type soufflé par côté principalement à cause de la perte excessive, probable, d'oxygène lorsqu'on l'ap plique de cette manière et du prix de re vient prohibitif résultant de l'application de cette méthode.
La température du métal augmente ra pidement à mesure que la teneur du vent en oxygène augmente. On ne peut donner les températures maxima atteintes, à cause de l'impossibilité pratique où l'on se trouve de les mesurer dans les conditions existant dans le convertisseur; mais il est à croire que ces températures dépassent de beaucoup <B>16000</B> C. Lorsqu'on fait usage d'un couver- tisseur soufflé par côté, des garnissages d'une nature suffisamment réfractaire ont une durée satisfaisante. On a obtenu les meilleurs résultats avec des garnissages de magnésie préalablement fondue dans le four électrique, et avec des garnissages de mine rai de chrome.
La flamme sortant<B>du</B> convertisseur in dique le progrès de la décarburation. La longue flamme brillante observée au com mencement du soufflage "s'éteint" lorsque la teneur en carbone atteint une valeur dé finie, caractéristique de l'alliage en cours de traitement. Par exemple, dans le cas de ferrochrome contenant environ 70 % de chrome, cette extinction de la flamme se produit à une teneur en carbone d'environ 2,75% et, dans le cas d'un alliage obtenu en fondant des battitures d'acier rapide, et contenant du tungstène et d'autres métaux à peu près dans les mêmes proportions que l'acier rapide, l'extinction se produit à en viron 0,75 % de carbone. Dans le soufflage de ferromanganèse, la flamme est parfois tellement obscurcie par les fumées que l'ex tinction n'est pas un bon critérium de la teneur en carbone.
Le temps de soufflage supplémentaire après l'extinction de la flamme est fonction de la teneur en carbone qu'on désire dans l'alliage et de la teneur du vent en oxygène.
Les exemples suivants donnent des ré sultats typiques obtenus en appliquant le procédé de l'invention à des alliages de fer à haute teneur en carbone.
Des ferrochromes à haute teneur en car bone produits suivant les méthodes bien connues et contenant, initialement : (1) 5,64 % de carbone et 69,73 % de chrome, (2) 4,91 % de carbone et 70,28 % de chrome et (3) 4,70 % de carbone et 70,28 % de chrome furent traités respectivement dans un convertisseur soufflé par côté, comme dé crit, avec des vents contenant différents pourcentages d'oxygène. Le premier alliage, après traitement avec un vent contenant 72 % d'oxygène, en volume, se trouva avoir une teneur en carbone de 1,50 % et une te neur en chrome de 70,74 %, le pourcentage de récupération de chrome étant de 83.
Le second alliage fut soumis à un soufflage par côté avec un vent contenant 64,2 % d'oxy gène et, après qu'on l'eut coulé du conver tisseur, donna à l'analyse 1,65 % de car bone et 68,52 % de chrome, la récupération de chrome étant de 76,6 %. Le troisième alliage, après un traitement similaire avec un vent contenant 48 % d'oxygène, donna, à l'analyse, 2,05 % de carbone et 70,43 % de chrome, et une récupération de chrome de 72 %. Dans un autre cas où l'on em ploya le procédé sur une échelle considéra blement plus vaste, l'analyse moyenne d'un grand nombre de charges de convertisseur dont on fit usage sur une période d'environ une semaine fut approximativement 6 % de carbone et 68,5 % de chrome.
Après souf flage par côté du métal fondu avec, dans chaque cas, un vent d'oxygène industrielle ment pur, la teneur en carbone se monta, en moyenne, à 1,80 % et la teneur en chrome, à 69,5 %. Ici, la récupération de chrome fut d'environ 87 % au convertis seur.
On traita une charge de ferromanganèse contenant 6,75 % de carbone et 77,82 % de manganèse dans un convertisseur soufflé par côté avec un vent contenant 34,7 % d'oxy- gène pendant une période de 1 heure 37 minutes et, après coulée, on trouva une te- neur en carbone de 1,
90% et une teneur en manganèse de 77,72 %, la récupération de manganèse étant de 53,02 %. Une autre charge de ferromanganèse contenant<B>6,350</B> /0 de carbone et 78,
23 % de manganèse fut traitée de semblable façon avec un vent consistant en oxygène industriellement pur et, après coulée, montra une teneur en car- bone de 0,58% et une teneur en manga- nèse de 78,62%,
la récupération de man- ganèse étant de 55,14%. Dans le soufflage de la fournée avec de l'oxygène pur, le rap port manganèse à carbone fut porté bien au-dessus de 30 et la récupération de man ganèse souffrit en conséquence. Si l'on avait arrêté le soufflage lorsque la teneur en car bone atteignait 1,90%, comme dans la pre mière opération indiquée dans l'exemple,
la récupération de manganèse eût été beaucoup plus élevée.
Des alliages de battitures de laminoir à haute teneur en carbone contenant : (1) 4,68 % de carbone et 15,98 % de tungstène (l'élément d'alliage précieux) et (2) 4,84% de carbone et 15,77 % de tungstène furent chargés dans des convertisseurs soufflés par côté et traités individuellement avec un vent d'oxygène sensiblement pur. Après coulée, le premier donna, à l'analyse, 0,25 % de carbone et 17,42% de tungstène et le se cond, 0,10 % de carbone et 17,55 % de tungstène, les récupérations de tungstène étant d'environ 97 %.
Des alliages de fer et de chrome renfer mant des pourcentages de chrome inférieurs à ceux dont il a été question ci-dessus peu vent être décarburés plus efficacement par l'invention et on peut élever davantage le rapport chrome à carbone sans pertes exces sives de chrome. Ainsi, lorsque la teneur initiale en chrome est inférieure à 30 %, le rapport chrome à carbone étant inférieur à 30, on peut élever ce rapport à 100 et, dans certains cas, même à 500 ou encore plus haut. On peut fabriquer économique ment des alliages industriellement impor tants, ayant une teneur en carbone de 0,2 %, ou même moins, et une teneur en chrome de 9 à 20 %, sans nickel ou avec jusqu'à 7 ou 8 % de nickel, en faisant usage de l'invention pour enlever le carbone en excès de compositions appropriées.
Les alliages à faible teneur en carbone, finis, sont désignés dans l'industrie sous le nom de "fer ne rouillant pas".
Etant donné que l'on peut atteindre éco nomiquement des rapports chrome à carbone plus élevés dans les alliages à teneur rela tivement faible en chrome, il est préférable de convertir un ferrochrome à haute teneur en carbone en fer ne rouillant pas en di luant le ferrochrome avec du fer, puis en soufflant, plutôt que de renverser l'ordre de ces opérations.
Une façon de procéder préférée, que les auteurs de l'invention ont employée avec succès pour la production de fer de rouillant pas, consiste à diluer du ferrochrome à haute teneur en carbone, fondu, avec de l'acier fondu pour réduire initialement la teneur en carbone du bain résultant, le ferrochrome étant coulé directement du fourneau où il est produit dans le convertisseur, soufflé par côté, contenant l'acier fondu, oh un soufflage avec de l'oxygène ou de l'air en richi, comme cela a été déjà décrit, réduit la te neur en carbone à une valeur inférieure à 0,2 %. Cela conserve la chaleur, réduit la manipulation et épargne des pertes aux quelles pourrait donner lieu une nouvelle fusion.
Ce qui suit est un exemple spécifique de la mise en pratique du procédé de l'in vention pour la production d'un alliage de fer et de chrome du type "fer ne rouillant pas". On fondit des battitures d'acier et du ferrochrome à haute teneur en carbone dans un four électrique, dans les proportions voulues pour donner un alliage d'une te rreur en chrome appropriée à la production de fer ne rouillant pas, par ce procédé. Un échantillon de l'alliage pris à la fin de la fusion de cette journée au four électrique, donna à l'analyse 20,66% de chrome, 1,24% de carbone et 0,14% de silicium.
Cet alliage fondu, provenant du four électrique, fut ra pidement transféré à un convertisseur, souf flé par côté, à garnissage basique. Dans ce cas, on se servit comme vent d'oxygène in dustriellement pur et le temps total de soufflage fut de 5 minutes 45 secondes. Avant l'addition de désoxydants, l'alliage contenait 17,71% de chrome et 0,08% de carbone.
Les lingots qu'on coula avec lui contenaient 17, 74% de chrome 0,10()/o de carbone et 0,23% de silicium. Avec des compositions du type "fer rie rouillant pas", l'extinction de la flamme se produit à envi ron 0,25/o de carbone. Après le soufflage, on peut retransférer le métal à un four élec trique pour désoxydation et finissage.
Les propriétés physiques moyennes de spécimens du produit préparé comme cela a été décrit dans le paragraphe précédent et désoxydés dans la poche étaient
EMI0005.0001
Limite <SEP> d'élasticité <SEP> 4.000 <SEP> kg <SEP> par <SEP> cmê
<tb> Résistance <SEP> absolue <SEP> 5.900 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb> Allongement <SEP> 23 <SEP> %
<tb> Réduction <SEP> de <SEP> section <SEP> 52 <SEP> % Un produit préparé d'une façon similaire, mais fini dans un four électrique donna à l'analyse Cr 15,75 % C 0,12 % si 0,
32 % Il présentait les propriétés physiques sui vantes
EMI0005.0002
Limite <SEP> d'élasticité <SEP> 4.200 <SEP> kg <SEP> par <SEP> cmê
<tb> Résistance <SEP> absolue <SEP> 5.900 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb> Allongement <SEP> 27%
<tb> Réduction <SEP> de <SEP> section <SEP> 68% On peut encore obtenir de l'acier au chrome à haute teneur en carbone en fon dant un mélange approprié de minerai de chrome et de minerai de fer ou de fer métallique comme des battitures d'acier, de manière à produire un alliage d'une teneur en chrome sensiblement convenable pour du fer ne rouillant pas, mais contenant un pourcentage excessif de carbone.
On transfère ensuite cet alliage fondu à faible teneur en chrome et à haute terreur en carbone à un conver tisseur et on l'y soumet à un soufflage par côté avec de l'oxygène pur, ou de l'air en richi, pour réduire sa teneur en carbone air dessous de 0,2 %, comme cela a été décrit dans l'exemple précédent.
Si l'on décarbure des fournées semblables, conformément à l'invention, en faisant usage de différentes concentrations d'oxygène dans le vent et en continuant le soufflage jusqu'à la même teneur résiduelle en car bone, la récupération de chrome augmente avec la concentration d'oxygène. Ainsi, un alliage contenant initialement 1,5% de car bone et d'une teneur en chrome le rendant propre à la fabrication de fer ne rouillant pas, a été traité en continuant le soufflage, avec chaque vent, jusqu'à ce que la teneur en carbone frit tombée à moins de 0,12 %.
La récupération de chrome en faisant usage d'air atmosphérique (21 % d'oxygène) n'a été que d'environ 23%, dans les conditions d'essai spécifiques ; avec 30 % d'oxygène, la récupération était de 42 % ; avec 60 % d'oxygène, de 68 % et avec 100 % d'oxy- gène, presque 79 %. II va,
bien entendu, sans dire que ces chiffres rie s'appliquent qu'aux conditions d'essai, températures, échelle sur laquelle on opère, etc., qui furent réelle ment employés et ne sont point destinés à représenter les récupérations maxima qu'on peut atteindre dans la pratique industrielle.
Cette expérience indique cependant très clai rement l'avantage qu'il y a à employer un vent ayant titre teneur en oxygène d'au moins 50 % et aussi voisine que faire se peut de 100 %. Dans le procédé selon l'invention, on peut également effectuer une partie de la décarburation par soufflage avec de l'hydro gène. On va décrire maintenant cette ma nière d'exécuter le procédé.
Lorsqu'on le souffle sur la surface de l'alliage, de la manière dont on le fait avec l'oxygène, l'hydrogène ne décarbure pas dans une mesure importante le métal. Introduit sous la surface, il enlève du carbone si le métal est suffisamment chaud ; mais la réac tion rie dégage pas assez de chaleur pour maintenir la température du métal et, même lorsque l'hydrogène est fortement surchauffé, la température du métal tombe rapidement au point de solidification, de sorte que l'on ne peut assurer le degré désiré de décarbu- ration.
On peut cependant appliquer de l'hydro gène par exemple de la manière suivante On soumet un alliage de fer contenant du carbone en quantité telle que le rapport rrré- tal d'alliage à carbone soit inférieur à 30, à l'action d'oxygène (pur ou dilué ce qui fait qu'une portion de l'excès indésirable de carbone est enlevé, la température du mé tal fondu se trouvant, entre temps, mainte nue ou même augmentée par la réaction fortement exothermique, et après cela, ou dans certains simultanément, on soumet le métal très chaud à un soufflage avec de l'hydrogène pour aider à réduire sa teneur en carbone.
En procédant de cette façon, on utilise la chaleur développée au cours du soufflage à l'oxygène pour maintenir le mé tal en fusion pendant le soufflage à l'hydro gène et, en contrôlant convenablement les soufflages respectifs, on peut préparer un produit ayant presque, à quelques centièmes d'unité pour cent près, n'importe quelle te neur désirée en carbone. L'usage d'hydro gène pour effectuer la décarburation finale à la limite désirée présente le grand avan tage industriel, comparé à l'usage d'oxygène pour le même but, que l'élimination de car bone est accompli avec des pertes relative ment faibles du métal d'alliage.
Par exemple, le métal dont on part est un alliage de fer et de chrome contenant environ 16 à 20 % de Cr et entre 1 et 2% de C, le restant étant composé pour la ma jeure partie de fer. On le charge, fondu, dans un convertisseur du type soufflé par côté, ayant également une buse d'arrivée à la partie inférieure, et l'on soumet l'alliage à un soufflage avec de l'oxygène très con centré, ou même pur, introduit au-dessus de la surface, jusqu'à ce que la teneur en car bone tombe à environ 0,3 % ou un peu moins. Un peu de chrome et d'autres cons tituants du bain sont également oxydés au cours de ce soufflage et les réactions forte ment exothermiques (oxydation de carbone, de chrome, de fer et de silicium, s'il y en a) ont pour résultat un bain très chaud et fluide.
Pour plus de commodité, on appellera ici métal "surchauffé" ce bain de métal fondu très chaud. On arrête alors l'oxygène et on introduit aussitôt de l'hydrogène sous la surface du métal surchauffé et on souffle celui-ci (dans des conditions de température décroissantes) jusqu'à ce que le carbone soit réduit davantage au point désiré, par exem ple à 0,12 ou 0,10 %, ou à un point encore plus bas. Une fournée contenant 19,36 % de Cr et 1,78 % de C fut soumise à un soufflage avec de l'oxygène pur et donna un alliage contenant 16,03 % de Cr et 0,08 % de C, la récupération de chrome étant de 73,5%. Une seconde fournée contenant 16,97 % de Cr et 1,15 % de C, soumise de semblable façon à un soufflage avec de l'oxygène, donna un alliage contenant 12,93 % de Cr et 0,06 % de C, avec une récupération de chrome de 70,8 %.
Ce sont là des exem ples typiques de ce que l'on peut obtenir avec de l'oxygène pur.
La moyenne de deux opérations en em ployant de l'oxygène et de l'hydrogène, suc cessivement, fut la suivante L'alliage traité contenait 17,90 % de Cr, avec 2,04 % de C. A la fin du souf flage à l'oxygène, sa composition était 15,75 % de Cr et 0,17 % de C. Soumis en suite à un soufflage avec de l'hydrogène il donna un alliage contenant 15,75 % de Cr et 0,05 % de C. La récupération totale de chrome fut de 84%.
Dans un autre cas, les compositions de la charge originelle et de l'alliage après soufflages à l'oxygène et à l'hydrogène fu rent les suivantes:
EMI0006.0005
Orlginellement <SEP> Après <SEP> oxygène <SEP> Après <SEP> hydrogène
<tb> Chrome <SEP> 21,47 <SEP> % <SEP> 18,53% <SEP> 18,84%
<tb> Ni <SEP> 7,64% <SEP> 8,24 <SEP> % <SEP> 8,27%
<tb> C <SEP> 2,01 <SEP> % <SEP> 0,16 <SEP> % <SEP> 0,10 <SEP> %
<tb> Si <SEP> 0,120/0 <SEP> - <SEP> - La récupération totale de chrome fut, dans ce cas,
d'approximativement 80 % et celle de nickel d'à peu prés 98 %.
Puisque les pertes de chrome se produisent principalement au cours du soufflage à l'oxy gène, il est bien entendu avantageux, du point de vue de la récupération de chrome, d'arrêter le soufflage à l'oxygène un peu plus tôt que ce ne fût ici le cas, par exem ple: lorsque la teneur en carbone est d'en- viron 0,2 à 0,3%, compte tenu de la né- cessité, sus-expliquée, d'une surchauffe suffi.- sante, dans les conditions particulières où l'on opère,
pour permettre de continuer le soufflage subséquent à l'hydrogène jusqu'à ce que la teneur finale désirée en carbone soit atteinte.
Le principe général, dans cette façon d'exécuter le procédé, est l'usage d'un vent d'oxygène (pur ou dilué) pour maintenir et, en partie au moins, assurer la très haute température du bain de métal fondu qui est essentielle pour une décarburation effi cace par l'hydrogène, l'action décarburante de l'oxygène étant supplémentée par celle de l'hydrogène. On peut opérer de différentes manières. Par exemple, on peut introduire l'hydrogène et l'oxygène simultanément, rirais de préférence sans qu'ils soient mélangés l'un avec l'autre, l'oxygène étant introduit au-dessus de la surface du bain de métal fondu, et l'hydrogène de préférence au-des sous de cette surface. On peut faire varier le rapport d'oxygène et d'hydrogène, à me sure que le soufflage progresse, pour mainte nir toutes conditions de température désirées.
Une façon de procéder très désirable con siste à souffler d'abord avec de l'oxygène, appliqué au-dessus de la surface, puis à continuer le traitement tant avec de l'oxy gène qu'avec de l'hydrogène, appliqués res pectivement au-dessus et au-dessous de la surface du métal. La manière d'opérer sus-décrite est ap plicable également à la fabrication d'alliages de fer à faible teneur en carbone, autres que du fer ne rouillant pas et, en particu lier, à la fabrication de ferromanganèse à faible teneur en carbone. Certains alliages, y compris les alliages de fer et de chrome, après traitement avec de l'hydrogène comme cela est décrit ici, montrent une porosité due à des cavités ou soufflures.
Dans le cas où cet effet est pro noncé au point de constituer un inconvé nient, on peut y remédier par un traite- ruent avec des réactifs appropriés, seuls ou concurremment avec les réactifs de finissage usuels tels que le silicium et le manganèse; ou bien on peut obtenir un métal plein en soumettant le bain à un soufflage très court ou, à vrai dire, instantané avec de l'oxy gène après le soufflage à l'hydrogène, au quel cas il est bon de faire suivre ce souf flage à l'oxygène des traitements désoxy dants bien connus. On peut, cela va sans dire, faire usage d'autres traitements ayant un effet analogue.