Procédé de fabrication de fonte nodulaire La présente invention concerne la fabrica tion de fonte contenant du graphite nodulaire.
On connaît des procédés et traitements per mettant d'obtenir une fonte nodulaire. Ce ma tériau contient du graphite qui est en partie ou en totalité sous la forme nodulaire. En prin cipe, ces procédés et traitements ont pour ré sultat que la fonte retient de petites quantités d'agents de nodulation, par exemple de ma gnésium et de cérium. On ajoute de façon clas sique ces agents à la fonte, habituellement sous la forme d'alliages, puis on inocule et moule le fer ainsi obtenu.
L'inoculation consiste à ajou ter du silicium à la fonte, ce qu'on a réalisé antérieurement, soit en procédant à des addi tions en vrac de silicium ou d'alliages de sili cium à la fonte contenue dans la poche de coulée, soit en versant la fonte dans des po ches de coulée contenant l'inoculant, soit par d'autres moyens appropriés. Il a été démontré qu'on peut augmenter le rendement de l'agent de nodulation en ayant recours à des injections gazeuses de l'agent plutôt qu'aux additions en vrac utilisées antérieurement. Selon cette tech nique, l'agent de nodulation sous forme conve nable est broyé puis injecté au-dessous de la surface du fer fondu dans un courant d'un gaz inerte tel que l'argon.
Après ce traitement, on inocule la fonte à la manière classique et la moule à l'état de fer nodulaire.
Bien qu'on ait utilisé avec succès ce traite ment pour obtenir une fonte nodulaire, le ren dement de l'inoculant, l'homogénéité du pro duit et les pertes de chaleur au cours du trai tement laissent quelque peu à désirer.
La présente invention se propose, en con séquence, de fournir un procédé perfectionné de fabrication de fonte contenant du graphite nodulaire.
Ce procédé qui comporte l'entraînement d'un agent de nodulation pulvérulent dans un courant de gaz inerte et l'injection du gaz chargé de poudre dans un bain de fonte fon due, est caractérisé en ce que le gaz entraîne un inoculant en même temps que l'agent de no- dulation.. Si on le désire, le gaz peut entraîner en outre un diluant réfractaire.
L'invention comprend également un mélange pulvérulent convenant à la mise en oeuvre du procédé, ainsi qu'une fonte dont la teneur tant en soufre qu'en agent de nodulation est inférieure à 0,01 01o, obtenue par le procédé selon l'inven tion.
Parmi les agents de nodulation qui peu vent avantageusement être appliqués dans le présent procédé, on peut mentionner le ma- gnésium, le magnésium-ferrosilicium, le cé- rium-magnésium-ferrosilicium, et les oxydes de terres rares. Il convient de remarquer que ces agents de nodulation eux-mêmes peuvent con tenir du silicium, qui est un inoculant.
Toute fois, du fait du taux élevé de rétention des ma tières de nodulation auquel on parvient en ap pliquant la technique par injection, il est nécessaire ordinairement d'avoir recours à une inoculation supplémentaire de la fonte afin de fournir une quantité suffisante de silicium.
L'inoculant appliqué dans le procédé peut consister en toute matière contenant du sili cium, ordinairement appliquée à cet effet en métallurgie. Parmi ces matières qui se sont avérées comme étant les plus efficaces, on peut mentionner le silicium et les alliages de silicium tels que le silicium calcique et le ferrosilicium.
L'injection de matières à point de fusion relativement bas dans la fonte fondue consti tue une opération difficile, attendu qu'une telle matière tend à se ramollir et à obstruer l'appa reillage. Afin d'empêcher cette obstruction, on peut avoir recours à un diluant à point de fu sion élevé. Une matière convenant à cet effet est le carbure de calcium qui n'a pas d'effet nuisible sur la fonte. On peut également utili ser comme diluants d'autres matières réfractai res, telles que la magnésie, qui n'exerce pas d'effet nuisible sur la fonte.
L'agent de nodulation, l'inoculant et le di luant réfractaire, dans le cas où on l'utilise, sont broyés de préférence à une dimension in férieure à 0,84 mm environ. Les matières broyées sont entraînées dans un courant de gaz inerte, de préférence d'argon ou autre gaz monoatomique, et injectées dans la fonte fon due par un tube en graphite ou fer.
On a cons taté que les taux de débit des particules sus ceptibles d'être adoptés dépendent dans une certaine mesure de la masse de métal dans la quelle on injecte le courant de gaz chargé de particules. Dans des poches de coulée conte nant 136 kg environ de métal, on a maintenu de façon satisfaisante un taux de débit de 0,9 kg environ de particules par minute. Dans des poches plus grandes, d'une contenance al lant jusqu'à plusieurs milliers de kilos, on peut adopter des taux de débit de 4,5 kg.
Outre la dimension de la poche, la composition de la poudre constitue un facteur important dans la détermination des taux de débit. De façon gé nérale, dans le cas où l'agent de nodulation consiste en magnésium élémentaire ou allié, on peut adopter un taux de débit de 0,45 kg de magnésium par minute. La quantité totale de poudre est évidemment plus grande lorsque le magnésium est sous forme d'alliage que lors qu'il est sous la forme élémentaire.
Dans un essai portant sur 136 kg de fonte, on a obtenu du fer nodulaire en appliquant le présent procédé. On a entraîné un mélange pulvérulent de 45 % de carbure de calcium,
45 % de silicium calcique et 10 % d'oxydes de terres rares dans un courant d'argon qu'on a introduit dans le fer fondu par un tube en graphite.
On a maintenu un taux de débit de 0,9 kg environ de poudre par minute jusqu'à ce qu'on ait ajouté 1,33 '% de la poudre. On a coulé le fer traité sans aucun autre traitement et constaté qu'il contenait du graphite nodu laire.
Dans un autre essai, on a ajouté un mé lange par parties égales de carbure de calcium, de ferrosilicium au magnésium et de ferro- silicium à la fonte fondue, en appliquant des techniques analogues. On a obtenu une fonte nodulaire pour une addition de 0,36 % du mé- lange.
Dans un autre cas, on a ajouté à la fonte un mélange de 50 % de carbure de calcium,
de 30 % de silicium calcique et de 20 1% de cérium-magnésium-ferrosilicium. Une addition de 0,
93 % de ce mélange a suffi pour obtenir de la fonte nodulaire à la coulée.
Le rendement du présent procédé est mis en évidence par les taux de rétention élevés des constituants de la poudre ajoutée. Par exem ple, la rétention du silicium est comprise entre 75 et 100 1% dans la mise en aeuvre du pro- cédé.
Dans certains cas, il peut être avantageux d'obtenir une fonte nodulaire contenant des quantités d'agents de nodu,lation inférieures à celles prescrites par l'ancienne technique pour les fontes présentant des propriétés physiques analogues.
On y arrive en obtenant une fonte fondue dont la teneur en soufre est inférieure à 0,01 % et en traitant la fonte par un agent de modu lation. Les fontes ainsi obtenues, lorsqu'on ap plique le magnésium à titre d'agent de modu lation, présentent une structure entièrement nodulaire, avec une teneur en magnésium re- tenu inférieure à 0,01 %.
La réduction à moins de 0,01 '% de la te- neur en soufre des fontes classiques présente certaines difficultés. On y remédie en désoxy dant la fonte avant de la désulfurer, ce qu'on peut obtenir en ajoutant un désoxydant, par exemple un alliage de calcium-silicium ou de l'aluminium à la fonte fondue au moment où on l'évacue du cubilot ou de l'avant-creuset.
On a constaté qu'une quantité de désoxydant égale à 0,1 % en poids du métal traité donne des résultats tout à fait satisfaisants.
On fait suivre le traitement de désoxyda tion de la fonte par un traitement de désulfu- ration, qu'on réalise de préférence en injectant dans la fonte fondue une certaine quantité de carbure de calcium en poudre entramé dans un courant de gaz inerte, par exemple d'argon.
Grâce à la désoxydation et désulfuration com binées de la fonte, la teneur en soufre est ré- duite à 0,01 % ou moins, de préférence entre 0,005 0/<B>0</B><I>et 0,01</I> 0/0.
On ajoute l'agent de modulation et l'inocu lant après avoir réglé la teneur en soufre de la fonte. Pour obtenir les meilleurs résultats, on préfère adopter une proportion d'agent de modulation retenu dans la fonte comprise entre 0,005 % et 0,01%.
On a analysé et soumis aux essais un cer tain nombre d'échantillons de la fonte obtenue par le procédé selon l'invention, avec les ré sultats qui sont consignés dans le tableau ci- dessous. Dans chaque cas, on avait désoxydé la fonte fondue avec du silicium calcique, puis on l'avait désulfurée à l'aide de carbure de cal cium selon la manière préférée.
Le tableau donne la teneur en soufre avant le traitement de modulation, lequel a consisté à injecter sous forme pulvérulente un alliage de cérium- magnésium-ferrosilicium. Le tableau donne les quantités de cérium et de magnésium ajoutées au fer et celles de chacun de ces corps qui ont été retenues. Le tableau donne également la résistance à la traction et une brève descrip tion de la microstructure du fer.
EMI0003.0067
Coulée <SEP> Teneur <SEP> Addition <SEP> ( /o) <SEP> Résiduel <SEP> ( /o)
<tb> N <SEP> en <SEP> S <SEP> /o <SEP> Mg <SEP> Ce <SEP> Mg <SEP> Ce
<tb> 1 <SEP> 0,006 <SEP> 0,020 <SEP> 0,001 <SEP> 0,007 <SEP> 0,0006
<tb> 2 <SEP> 0,007 <SEP> 0,030 <SEP> 0,0015 <SEP> 0,005 <SEP> 0,0007
<tb> 3 <SEP> 0,006 <SEP> 0,030 <SEP> 0,0015 <SEP> 0,006 <SEP> 0,0008
<tb> 4 <SEP> 0,006 <SEP> 0,030 <SEP> 0,0015 <SEP> 0,005 <SEP> 0,0007
<tb> 5 <SEP> _ <SEP> 0,006 <SEP> 0,040 <SEP> 0,002 <SEP> 0,008 <SEP> 0,0009
<tb> Résistance
<tb> Coulée <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Microstructure
<tb> N <SEP> (kg/cm\)
<tb> 1 <SEP> 4077 <SEP> 40% <SEP> <B>601)
/o</B>
<tb> 2 <SEP> 5083 <SEP> <B>800/0</B> <SEP> 20'%
<tb> 3 <SEP> 4837 <SEP> <B>800/0</B> <SEP> 20%
<tb> 4 <SEP> 4619 <SEP> 75% <SEP> 25%
<tb> 5 <SEP> 5413 <SEP> <B>1000/0</B>
<tb> x <SEP> Nodules.
<tb> a- <SEP> Paillettes <SEP> agglomérées. Il résulte de ce tableau qu'on peut obtenir de la fonte présentant une structure graphiti- que entièrement nodulaire avec une quantité retenue d'agent de nodulation inférieure à 0,01 %. Ce fait,
joint aux économies résultant de l'application des techniques d'injection, con duit à la production d'une fonte à l'aide d'u.ne mise en oeuvre de matières sensiblement moin dre que celles nécessitées par l'ancienne tech nique.
Le mélange pulvérulent qui est entraîné dans un gaz inerte et injecté dans le bain de fonte fondue contient d'ordinaire, en plus de l'agent de nodulation et de l'inoculant, une ma tière qui ne fond pas à la température du bain. Ce diluant réfractaire sert à empêcher l'obs truction de l'appareillage par les autres cons tituants du mélange qui fondent ou se ramol lissent à cette température. Parmi les diluants satisfaisants, on peut mentionner le carbure de calcium, la magnésie et l'oxyde de calcium.
Bien que la quantité de diluant nécessaire dans le mélange dépende, par exemple, de la tem pérature du fer, de la vitesse des particules et de la profondeur de l'injection, un mélange contenant entre 40 et 70 % en poids de diluant donne en général satisfaction.
Le magnésium et le cérium constituent des agents de nodulation recommandés. On peut les appliquer soit seuls, soit en mélange mutuel, et ils sont, de préférence, présents sous forme d'alliage. Le magnésium-ferrosilicium et le cé- rium-magnésium ferrosilicium sont des exem ples de matières contenant des agents de modu lation qui ont donné d'excellents résultats dans le mélange.
Pour inoculer la fonte, le silicium doit être présent, par exemple sous forme d'alliage tel que le ferrosilicium ou le silicium calcique. Une partie, au moins, du silicium nécessaire peut être alliée avec l'agent de modulation comme, par exemple, dans le magnésium-ferrosilicium. La quantité d'inoculant nécessaire dans le mé lange est évidemment moindre lorsque le fer en cours de traitement a une ten--ur élevée en sili cium.
Pour obtenir les meilleurs résultats, la quantité d'inoculant dans le mélange doit être de 7 à 20 fois supérieure en poids à celle de l'agent de nodulation.
Un mélange pour exécuter l'invention qui a donné d'excellents résultats a la composition suivante : 60 % de carbure de silicium, 15 % de cérium-magnésium-ferrosilicium et 25 % de silicium calcique.
Dans ce mélange, le cérium- magnésium-ferrosilicium avait une teneur en silicium de 50 % et une teneur combinée en cérium et magnésium de 10 %. Le calcium- ferrosilicium a <RTI
ID="0004.0079"> une teneur de 60 % en silicium.
On broie les constituants et le mélange de façon à obtenir un mélange sensiblement ho mogène. Les particules broyées doivent avoir une dimension telle qu'elles puissent facile ment être entraînées dans le courant gazeux. Des particules d'une dimension inférieure à 3,18 mm ont donné d'excellents résultats.
The present invention relates to the manufacture of cast iron containing nodular graphite.
Processes and treatments are known which make it possible to obtain a nodular cast iron. This material contains graphite which is partly or totally in the nodular form. In principle, these methods and treatments result in the iron retaining small amounts of nodulating agents, for example magnesium and cerium. These agents are conventionally added to the melt, usually in the form of alloys, and the resulting iron is inoculated and molded.
Inoculation consists of adding silicon to the melt, which has been done previously, either by making bulk additions of silicon or silicon alloys to the melt contained in the ladle, or by pouring the cast iron into pouring bags containing the inoculant, or by other suitable means. It has been shown that the yield of the nodulating agent can be increased by resorting to gaseous injections of the agent rather than the bulk additions previously used. According to this technique, the nodulating agent in suitable form is ground and then injected below the surface of the molten iron in a stream of an inert gas such as argon.
After this treatment, the cast iron is inoculated in the conventional manner and the mold in the form of nodular iron.
Although this treatment has been used successfully to achieve a nodular melt, the yield of the inoculant, the homogeneity of the product and the heat losses during the treatment leave something to be desired.
The present invention therefore proposes to provide an improved process for the manufacture of cast iron containing nodular graphite.
This process, which comprises entraining a pulverulent nodulating agent in a stream of inert gas and injecting the powder-laden gas into a molten iron bath, is characterized in that the gas entrains an inoculant at the same time. as the swelling agent. If desired, the gas may additionally entrain a refractory diluent.
The invention also comprises a pulverulent mixture suitable for carrying out the process, as well as a cast iron whose content both in sulfur and in nodulating agent is less than 0.01 01 °, obtained by the process according to the invention. tion.
Among the nodulating agents which can advantageously be applied in the present process, there may be mentioned magnesium, magnesium-ferrosilicon, cerium-magnesium-ferrosilicon, and rare earth oxides. It should be noted that these nodulating agents themselves may contain silicon, which is an inoculant.
However, due to the high rate of retention of nodulating materials achieved by applying the injection technique, it is ordinarily necessary to resort to additional inoculation of the cast iron in order to provide a sufficient amount of silicon.
The inoculant applied in the process can consist of any material containing silicon, usually applied for this purpose in metallurgy. Among those materials which have been found to be the most effective, there may be mentioned silicon and silicon alloys such as silicon calcium and ferrosilicon.
Injecting relatively low melting point materials into the molten iron is a difficult operation, as such material tends to soften and clog the apparatus. To prevent this clogging, a high melting point diluent can be used. A suitable material for this purpose is calcium carbide which has no detrimental effect on cast iron. Other refractory materials, such as magnesia, which do not adversely affect the cast iron can also be used as diluents.
The nodulating agent, the inoculant and the refractory diluent, if used, are preferably ground to a size less than about 0.84 mm. The ground materials are entrained in a stream of inert gas, preferably argon or other monatomic gas, and injected into the molten iron through a graphite or iron tube.
It has been found that the particle flow rates likely to be adopted depend to some extent on the mass of metal into which the stream of gas laden with particles is injected. In ladles containing about 136 kg of metal, a flow rate of about 0.9 kg of particles per minute was satisfactorily maintained. In larger bags, with a capacity of up to several thousand kilograms, discharge rates of 4.5 kg can be adopted.
In addition to the pocket size, the composition of the powder is an important factor in determining throughput rates. In general, in the case where the nodulating agent consists of elemental or alloyed magnesium, a flow rate of 0.45 kg of magnesium per minute can be adopted. The total amount of powder is obviously greater when the magnesium is in the form of an alloy than when it is in the elemental form.
In a test involving 136 kg of cast iron, nodular iron was obtained by applying the present process. A powder mixture of 45% calcium carbide was produced,
45% calcium silicon and 10% rare earth oxides in a stream of argon which was introduced into the molten iron through a graphite tube.
A flow rate of about 0.9 kg of powder per minute was maintained until 1.33% of the powder was added. The treated iron was cast without any further treatment and found to contain nodular graphite.
In another run, an equal part mixture of calcium carbide, magnesium ferrosilicon and ferrosilicon was added to the molten iron, using similar techniques. A nodular cast iron was obtained for an addition of 0.36% of the mixture.
In another case, a mixture of 50% calcium carbide was added to the cast iron,
30% silicon calcium and 1% cerium-magnesium-ferrosilicon. An addition of 0,
93% of this mixture was sufficient to obtain nodular cast iron.
The performance of the present process is evidenced by the high retention rates of the constituents of the added powder. For example, the retention of silicon is between 75 and 100% in the implementation of the process.
In certain cases, it may be advantageous to obtain a nodular cast iron containing quantities of knotting agents lower than those prescribed by the old technique for cast irons having similar physical properties.
This is achieved by obtaining a molten iron with a sulfur content of less than 0.01% and by treating the iron with a modulating agent. The cast irons thus obtained, when magnesium is applied as modulating agent, exhibit an entirely nodular structure, with a retained magnesium content of less than 0.01%.
Reducing the sulfur content of conventional cast irons to less than 0.01% presents certain difficulties. This is remedied by deoxidizing the cast iron before desulfurizing it, which can be achieved by adding a deoxidizer, for example a calcium-silicon alloy or aluminum to the molten iron as it is removed from the cupola. or the fore-crucible.
It has been found that an amount of deoxidizer equal to 0.1% by weight of the treated metal gives completely satisfactory results.
The deoxidation treatment of the iron is followed by a desulphurization treatment, which is preferably carried out by injecting into the molten iron a certain quantity of powdered calcium carbide entrained in a stream of inert gas, for example. argon.
By the combined deoxidation and desulphurization of the iron, the sulfur content is reduced to 0.01% or less, preferably between 0.005 0 / <B> 0 </B> <I> and 0.01 < / I> 0/0.
The modulating agent and the inoculant are added after adjusting the sulfur content of the cast iron. To obtain the best results, it is preferred to adopt a proportion of modulating agent retained in the cast iron of between 0.005% and 0.01%.
A certain number of samples of the cast iron obtained by the process according to the invention were analyzed and subjected to tests, with the results which are given in the table below. In each case, the molten iron was deoxidized with silicon calcium, and then desulfurized with the aid of calcium carbide in the preferred manner.
The table gives the sulfur content before the modulation treatment, which consisted in injecting in pulverulent form a cerium-magnesium-ferrosilicon alloy. The table gives the quantities of cerium and magnesium added to iron and those of each of these bodies which were retained. The table also gives the tensile strength and a brief description of the microstructure of the iron.
EMI0003.0067
Casting <SEP> Content <SEP> Addition <SEP> (/ o) <SEP> Residual <SEP> (/ o)
<tb> N <SEP> en <SEP> S <SEP> / o <SEP> Mg <SEP> Ce <SEP> Mg <SEP> Ce
<tb> 1 <SEP> 0.006 <SEP> 0.020 <SEP> 0.001 <SEP> 0.007 <SEP> 0.0006
<tb> 2 <SEP> 0.007 <SEP> 0.030 <SEP> 0.0015 <SEP> 0.005 <SEP> 0.0007
<tb> 3 <SEP> 0.006 <SEP> 0.030 <SEP> 0.0015 <SEP> 0.006 <SEP> 0.0008
<tb> 4 <SEP> 0.006 <SEP> 0.030 <SEP> 0.0015 <SEP> 0.005 <SEP> 0.0007
<tb> 5 <SEP> _ <SEP> 0.006 <SEP> 0.040 <SEP> 0.002 <SEP> 0.008 <SEP> 0.0009
<tb> Resistance
<tb> Casting <SEP> at <SEP> the <SEP> traction <SEP> Microstructure
<tb> N <SEP> (kg / cm \)
<tb> 1 <SEP> 4077 <SEP> 40% <SEP> <B> 601)
/ o </B>
<tb> 2 <SEP> 5083 <SEP> <B> 800/0 </B> <SEP> 20 '%
<tb> 3 <SEP> 4837 <SEP> <B> 800/0 </B> <SEP> 20%
<tb> 4 <SEP> 4619 <SEP> 75% <SEP> 25%
<tb> 5 <SEP> 5413 <SEP> <B> 1000/0 </B>
<tb> x <SEP> Nodules.
<tb> a- <SEP> Agglomerated <SEP> sequins. It follows from this table that cast iron having an entirely nodular graphitic structure can be obtained with a retained amount of nodulating agent of less than 0.01%. Thereby,
together with the savings resulting from the application of injection techniques, led to the production of a cast iron with the aid of a use of materials which are substantially less than those required by the old technique.
The powder mixture which is entrained in an inert gas and injected into the molten iron bath usually contains, in addition to the nodulating agent and the inoculant, a material which does not melt at the temperature of the bath. This refractory diluent serves to prevent obstruction of the apparatus by the other constituents of the mixture which melt or soften at this temperature. Among the satisfactory diluents, there may be mentioned calcium carbide, magnesia and calcium oxide.
Although the amount of diluent needed in the mixture will depend, for example, on the temperature of the iron, the speed of the particles and the depth of injection, a mixture containing between 40 and 70% by weight of diluent will give general satisfaction.
Magnesium and cerium are recommended nodulating agents. They can be applied either singly or in mutual admixture, and they are preferably present as an alloy. Magnesium-ferrosilicon and cerium-magnesium ferrosilicon are examples of materials containing modulating agents which have given excellent results in the mixture.
In order to inoculate the cast iron, the silicon must be present, for example in the form of an alloy such as ferrosilicon or silicon calcium. At least part of the silicon required can be alloyed with the modulating agent, for example in magnesium-ferrosilicon. The amount of inoculant required in the mixture is obviously less when the iron being processed has a high silicon content.
For best results, the amount of inoculant in the mixture should be 7 to 20 times the weight of the nodulating agent.
A mixture for carrying out the invention which has given excellent results has the following composition: 60% silicon carbide, 15% cerium-magnesium-ferrosilicon and 25% silicon-calcium.
In this mixture, the cerium-magnesium-ferrosilicon had a silicon content of 50% and a combined cerium-magnesium content of 10%. Calcium-ferrosilicon has <RTI
ID = "0004.0079"> 60% silicon content.
The constituents and the mixture are ground to obtain a substantially homogeneous mixture. The crushed particles should be of such a size that they can easily be entrained in the gas stream. Particles smaller than 3.18 mm have given excellent results.