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Procédé de production an four Siemens-Martin basique d'un acier de haute ténacité, de fragilité à froid, et de sensibilité au vieillissement et à la rupture au bleu réduites.
Les procédés 'basiques de fusion sur sole, quand, on établit les observations d'après le s phénomènes chimi-
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miques du bain, sont des procédés à oxydation aut oma- tique* Les constituants étrangers du bain sont oxydés chacun dans une mesure variant avec leur affinité avec ltoxygène et conditionnée à la concentration et la tem- pérature, puis entraînés dans le laitier ou les gaz d'é- chappement. Avec appauvrissement croissant du bain en agents de réduction, le fer est transformé en oxyde fer- feux et en oxyde terri que, en particulier vers la fin de la fusion, et en quantité croissante.
Comme l'oxyde ferrique ( Fe2O3) n'est pas stable en présence du fer métallique et'des matières de réduction contenues dans le bain aux températures élevées du four de fusion, la plus grande partie du fer oxydé présent se trouvera sous forme d'oxyde ferreux, ( FeO). L'oxyde ferreux est solu- ble jusque a un certain degré dans le laitier et dans le bain, et la répartition dans le laitier et dans le bain est déterminée par la loi de Nernst. La concentra- tion de l'oxyde ferreux: dans le bain est ainsi en rela- tion directe avec celle dans le laitier, et l'ion est ainsi autorisé à tirer de la concentration des oxydes métalliques dans le laitier des conclusions relatives à la teneur du bain en oxydes métalliques dissous.
La cause plus profonde de la progression irré- sistible de l'affinage dans le four Martin basique est due probablement diaprés Mars au fait que les matériaux de construction du four, et les corps formant le laitier du four à sole basique, la magnésie et la claux, ne peu- vent pas réaliser de combinaisons chimiques avec l'oxy- de ferreux du bain, mais forment des solutions physiques avec les oxydes métalliques.
La faculté de réaction de
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l'oxyde ferreux dissous sur le carbone du bain subsiste, le bouillonnement, l'affinage progressent de façon irré- sistible. Avec un appauvrissement croissant du bain en agents réducteurs, la teneur en oxyde ferreux du laitier ainsi que celle du bain augmentent fortement par suite de l'effet d'oxydation des gaz vers la fin de la fusion molle,Comme on le sait les éprouvettes d'acier retirées à ce moment du bain présentent la plupart du temps au pliage ou cintrage au rouge une rupture ou fragilité au rouge plus ou moins forte.
Dichmann, qui peut être considéré comme un spé- cialiste très compétent du fonctionnement du four basi- que à sole, estime que l'état d'équilibre par rapport à l'oxyde ferreux dans le laitier et aux réducteurs dans le fer est atteint dans la pratique quand la teneur du laitier en fer est descendue à 10% correspondant à 13% de FeO. La même teneur en MnO doit exister simultané- ment. Comme l'enseigne la pratique, il n'est pas tou- jours possible sans difficulté avec un mode de travail normal, de produire un acier pauvre en carbone avec un laitier final d'une teneur en fer égale seulement à 10%; la plupart du temps, la teneur en fer est un peu supé ri- eure.
Quand la teneur désirée en carbone est atteinte, on doit préparer la fin de l'affinage par addition d'a- gents désoxydants, -le cas échéant à force. Le problème principal de la désoxydation consiste, comme en le sait, en la suppression du reste d'oxygène en équilibre avec le carbone dans le bain. Comme agents de désoxydation, on
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choisit - abstraction faite du carbone utilisé seule- ment à titre exceptionnel- des alliages de fer, dont: les *taux attirent l'oxygène, par suite de leur grande affinité pour l'oxygène comparée à celle du fer.
A l'ex- ception du carbone, tous les agents de désoxydation for- ment des produits solides ou fluides, qui sont maintenus en partie dans l'acier sous forme finement répartie et de façon hétérogène, après les phénomènes de solidification et constituant une partie des inclusions non métalli- ques bien connues de 1*' acier. Ces inclusions abaissent comme on le sait, les qualités techniques de l'acier, entraînent la formation de criques longitudilales et une sensibilité à la trempe et peu.vent lors de solli- cation; variables constituer le point de départ des ruptures par fatigue. C'est pourquoi, d'après Eilan- der, la désoxydation avec des agents qui forment des produits de solides , doit 'être évitée le plus possible.
Un autre inconvénient de la désoxy- dation ordinaire vers la fin de la fusion consiste en ce que, par exemple, lors de l'utilisation du ferro- manganèse, une élimination complète de l'oxygène est aus- si impossible, même avec de grandes additions, parce qu'on ne peut toujours atteindre qu'un état d'équilibre déter- miné. et est pourquoi on adopte la désoxydation graduel- le avec des métaux qui possèdent une affinité croissante pour l'oxygène, et en parvient, par exemple, par addi- tion de quantités importantes d'aluminium, à obtenir un acier très pauvre en carbone. L'inconvénient de ce pro- cédé de désoxydation subsiste cependant, puisque les
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dérivés de l'aluminium, comme lalumine répartis finement sous forme d'émulsion, sont facilement retenus dans 1' acier.
Si l'on rassemble les explications qui précèdent,les procédés de susion basique sur sole pouvant être caracté- risés comme suit : Procédé avec oxydation automatique du bain et désoxydation indirecte forcée par addition de ferro -alliages et la plupart du temps avec forma- tion de produits solides ou liquides qui demeurent fa- cilement dans l'acier. Au contraire, d'après Mars, le procédé de fusion au creuset et de façon analogue, le procédé Siemens-Martin acide, aprèss le travail d'affi- nage, forment un exemple symbolique d'un procédé iL dés- oxydation automatique.
Dans les procédés automatiques, lors du maintien de conditions déterminées, les derniers restes d' oxygène contenus à l'état de feO dans l'acier forment avec 1' acide silicique du garnissage du four une combinaison chimique constante de silicate de fer, qui passe dans le laitier. Simultanément, par l'action du fer pur, il se produit une réduction du silicium cé- dé par le garnissage et ce silicium attire à lui les derniers restes d'oxygène. C'est à cette désoxydation automatique, dans laquelle il ne reste que pas ou très peu de produits dans l'acier, que l'on doit partiellement, d'après Mars, les qualités excell entes de l'acier aci- de.
Le procédé qui fait l'objet de la présente inven- tion, due à Monsieur Paul Kûhn, se place entre le procédé acide et le procédé basique de fusion sur sole pour autant qu'il impose au manganèse dans le four acide un rôle de désoxydation automatique pendant toute la fusion,
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analogue à celui que joue le silicium dans le four aci- de. Le rôle important du manganèse dans le réglage des : phénomènes de de carburation et de désoxydation peu de temps avant la coulée est connu en soi. On a aussi proposé d'ajouter à la charge de grandes quantités de manganèse quand on veut obtenir par fusion un acier de haute valeur.
Dans la fabrication d'acier doux au four Siemens-Martin basique on demeure cependant le plus possible au-dessous de 1,5 % de Mn dans la charge, puisque, comme Killing a pu le démontrer, l'utilisation du manganèse et par suite l'économie du procédé diminu- ant très fortement quand on augmente encore la teneur en manganèse.
Dans le procédé selon l'invention on s'écarte de la règle de propos délibéré et par une charge augmentée qui de Mn dès la fusion/eu égard à. l'oxydation, doit avoir lieu le plus vite possible , on élimine hors de l'acier de grandes quantités d'oxygène, puisque tout d'abord, du manganèse est paisse dans le laitier en quantité pré- dominante. Dans la poche qui se ferme pendant la fu- sion se produisent vraisemblablement des réactions qui entraînent une réduction de MnO et par suite :. une certaine déshydration de l'acier d'après l'équation con- nue: FeO + Mn = MnO + Fe.
En tous cas, les éprouvettes d'acier retirées immédiatement après la fusion sont exemp- tes de ruptures au rouge et présentent aussi avec une teneur plus haute en carbone un certain angle de cintra- ge dans l'essai au choc sur éprouvette entaillée. Après introduction de la charge on ajoute derla manière ordinal - re, parallèlement à la hausse de température,de grandes
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quantités de chaux, ce qui fait que les oxydes métalli- ques sont libérés des combinaisons chimiques dans le laitier et sont réduits par les agents réducteurs du bain.
Les quantités de chaux ajoutées varient natu- rellement d'après la quantité des acides à combiner dans le laitier; dans les conditions de travail présentes, l'addition de chaux varie entre 1 et 2% de la charge (pour des températures supérieures dufour elle augmente).
Après addition de la chaux, la température est augmentée le plus rapidement possible, et de cette façon le lai- tier est maintenu le plus fluide possible , en vue d'aug- menter la vitesse de réaction dans la zône de réaction entre le laitier et le bain et en outre la faculté d'ab- sorption du laitier pour des quantités supplémentaires de chaux. Comme la teneur en oxyde ferreux du laitier est déjà relativement basse lors de l'introduction et qu'en outre le laitier entraîne de grosses quantités de MnO (environ 30 à 40% de MnO, et pour une température par- ticulièrement élevée des quantités moindres) il s'é- tablit une forte réduction de MnO provenant du laitier et un passage du Mn dans le bain.
Le manganèse réduit peut à l'état naissant réduire très énergiquement l'o- xyde ferreux dissous. dans l'acier, ce qui fait que simul- tanément la teneur en FeO du laitier est abaissée de façon continue. Le MnO formé dans cette réaction est réduit de nouveau dans le cycle par le carbone du bain, jusqu'à ce que finalement le teneur en FeO dans le laitier et le bain soit devenue extrêmement faible.
La teneur en Manga- nèse du bain s'accroît notablement, - dans certains cas
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jusqu'à 1,3 % de Mn et plus- parallèlement à cettedés- oxydation automatique par le manganèse réduit du laitier* Le travail avec un laitier très basique demande naturelle- ment une température haute et uniforme pendant toute la durée de la fusion, ce qui peut être obtenu par exemple par l'utilisation du four à régénération décrit dans le s brevets allemands ? 333 402 et 349 102.
Quand la teneur désirée en carbone est atteinte, on pro- cède à la coulée de la masse fondue dans la désoxydation habituelle, c'est-à-dire en général dans addition. Les ad-. ditions d'alliages voulues peuvent 'être faites naturelle- ment à la manière ordinaire dans le four, pendant la cou- lée, dans la rigole d'écoulement ou dans la poche de coulée l'ax suite de l'inexistance de quantités importantes d'oxy- gène, l'acier se solidifie de façon tout à fait tranquil- le puisque la réaction génératrice de gaz FeO + C = Fe + Co ne peut avoir lieu.
A titre d'exemple du mode de travail décrit ci-dessus, on a reporté sur les tableaux 1 et 2 des analyses cité- prouvettes d'acier et de laitier retirées tous le s quarts d'heure du four; le tableau 1 donne 1' analyse d'une fu- sion douce (A) et le tableau 2 celle d'une fusion demi- dure (B). La charge comprenatt dans les deux cas environ 35% du fonte Martin avec 4 à 5 de Mn, 30% de riblons, le reste étant¯constitué par des déchets de^tôle,
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Tableau I.
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Tableau II.
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Le cours des variations des quantités des prin- cipaux éléments, tels que le carbone et le manganèse de
Isoler, et le MnO, le CaO et le FeO du laitier est indiqué sur la figure 1 pour la fusion A, sur la figure 2 pour la fusion B.
La fusion A a été chargée aveo une teneur en car- bone de 0,76 %. ?'eu de temps après la charge, on ajoute à de courtes intervalles des quantités importantes de chaux et un peu. de spath-fluor. Avec une teneur en CaO croissante du laitier, une température croissante et une teneur déorois- sante en carbone, il s'établit une rédaction extraordinai- rement violente du mnO dans le laitier. En correspondance aveo la diminution de la teneur en MnO, la tenenr en manga- nèse de l'acier augmente jusqu'à 0,90 % pour l'éprouvette 7.
Parallèlement à la réduction du manganèse, s'établit une désoxydation non complètement uniforme et la teneur en FeO du laitier diminue jusqu'à la coulée à environ 8 % . Avec une teneur en carbone continuant à décroître vers la fin de la fusion, la désoxydation a lieu partiellement aux dépens de la teneur en manganèse du bain, ce qui se constate par la teneur décroissante en manganèse. Les éprouvettes d'acier résistaient à la rupture au rouge, et pouvaient être, à partir de l'éprouvette 7, complètement repliées par choc lors de l'essai sur éprouvette entaillée.
La fusion B (tableau. 2 et figure 2) était un peu plus dure que la coalée A. Après la première éprouvette, on a ajouté 500 Kgs de chaux, à la suite de quoi, la teneur en CaO est rapidement montée à 30 %. Après les éprouvettes
5 à 9, on a ajouté chaque fois 100 kgs. de chaux, et augmenté ainsi la teneur en CaO jusqu'à 40 % environ avec une augmen- tation de température simultanée. A partir de l'éprouvette
2, il s'établit une forte réduction da manganèse provenant du laitier.
La teneur en MnO du laitier décrût jusqu'à 23%,
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la teneur en FEO était déjà très basse après l'introduction et descend pendant le cours de la fusion d'une manière relativement régulière jusqu'à 8 % environ. Les essais de rupture au rouge et de cintrage au choc par éprouvette entaillée pendant le eours de la fusion étaient parfaits.
L'acier s'est solidifié d'ouïe manière absolument calme.
Ladésoxydation automatique peut donc être considérée comme obtenue, quand lors d'une augmentation régulière de la teneur en manganèse de l'acier, la teneur en FeO du laitier avant la coulée est de 10 % au plus. Une limitation quelconque quant à la teneur en carbone dans le produit final n'existe en aucun cas comme les documents annexas le montrent. Le procédé peut être utilisé avec le même résultat et la même sécurité pour la production d'acier doux, mi-dur ou dur, isolé ou allié.
Les qualités technologiques des aciers produits d'après ce procédé sont essentiellement @@@@stérisées par un fort allongement par rapport à la résistance à la traction et une grande résistance à la formation de criques . Simultanément ces aciers sont pratiquement insen- sibles aux fatigues du vieillissement, au travail, à la chaleur du bleu, et aux autres traitements d'atelier défavorables. Sur la figure 5 sont reproduites les valeurs moyennes de nombreux essais de résistance exécutés sur des disions obtenues d'après le procédé, La. figure 4 représente les propriétés de résistance des aciers Siemens:.;
Martin ordinaires.
Comme on peut le voir sur la figaro 3, et les valeurs de l'allongement de la résistance au ointrage, en particulier pour les aciers mi-durs, sont supérieures à celles des aciers ordinaires au carbone. En ce qui
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concerne l'allongement, la supériorité depasse environ 5 unités, tandis que la résistance au cintrage est d'envi- ron 100% supérieure. Les aciers ont été essayés à l'état incandescent normal.
La sensibilité au viellissement est particulièrement influencée, comme on le sait, par la teneur en oxygène dis- sous dans le fer. Les aciers produits selon le nouveau pro- cédé sont pratiquement exempts de vieillissement. Puisque, comme on le sait, l'effet d'un traitement de viellissement consiste essentiellement en un déplacement de la chute rade pide de la courbe/ résistance au cintrage en fonction de la température aux températures élevées, les observations relatives à. l'effet de viellissement produit à la tempéra- ture ambiante seron facilitées si l'on mesure la résistance au cintrage avant et après traitement au vieillissement pour des températures basses et élevées.
Dans les essais de vieillissement exécutéspar le Demanderesse, les épxouvet- tes de 10 x 11 x 60 mm ont étérefoulées d'environ 10% au moyen d'un poinçon et recuites pendant une heure à 250 , travaillées ensuite pour en faire des éprouvettes au choc entailléez et essayées à des températures comprises entre -80 C et 200 C. Les éprouvettes avaient 10 x 10 x 60 mm avec une entaille ronde de 5 mm de profondeur et 2 mm. de diamè- tre. Dans la figure 5, on é reproduit les résultats d'es- sais de viellissement, au choc sux éprouvettes entaillées re- tirées du milieu d'une tôle de 20 mm. de la fusion A, en fonction de la température d'essai.
La figure 6 donne les résultats obtenus dans les mêmes conditions d'e ssai pour une tôle normale de chaudière de même résistance à la traction, De façon analogue, on a reproduit sux les figures 7 et 8 les -il--
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résultats dressais au choc sur éprouvettes entaillées sur une tôle incandescente de 20 mm, tirée de la fusion B et à titre de comparaison, ceux d'une tige ronde de 22 mm. en acier Siemens-Martin ordinaire de même résistance.
Comme le montre la figure 5, la chute rapide de la courbe commence avant le traitement au veillissement à -20 C; à -50 C, la tôle possède encore une résistance de 6 kgm/cm2. l'ax le traitement de viellissement la chute rapide de la courbe est décalée d'environ 30 C vers des températures plus élevées, la chute commence à C. et n'est pas conséquent pas .encore visible à la température ambian- te. La résistance au choc à l'éprouvette entaillée obtenue à la température ambiante par le traitement au vieillisse- ment est simplement abaissée de 11,4 à 10,9 kgm/cm2. 'La tôle est pratiquement insensible au vieillissement. La figure 6 montre les résultats pour une tôle ordinaire de chaudière.
A l'état non vieilli, la chute d e la co'urbe com- mence à la température ambiante.Par letraitement au vieillissement, elle est réculée d'environ 1000 vers des températures plus élevées avec le résultat que la tôle est cassante jusqu'à une température d'essai de + 50 . La ré- sistance au choc à l'éprouvette entaillée à la tempe rature ambiante est abaissée de 11 à environ 1/kgm/cm2. Pour la fusion B, la résistance au choc à l'éprouvette entaillée est abaissée à la température ambiante par le traitement au vieillissement de 9 à 8,2 kgm/cm2, pour l'acier au carbone ordinaire de 8,5 à 2,5 kgm/cm2; c'est-à-dire également d'une quantité essentiellement plus forte.
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Les aciers produits diaprés le procédé décfit sont prati- quement exempts de ségrégation, et pauvres en oxygène. Com- me des essais précis, l'ontmontré, ils sont extraordinaire- ment résistants aus effets d'augmentation de la granulation dus à la surchauffe, à la recristallisation et à la soudu- re par fusion.
REVENDICATIONS.
10-Procédé de production au, four Siemens-Martin basi- que d'un acier de haute ténacité ,de -- fragilité à froid et de sensibilité au vieillissement et à la rupture au bleu réduites caractérisé en ce que, par une forte charge en manganèse , une haute basicité du laitier et une tempé- rature haute et uniforme , on produit une désoxydation automatique du bain par le manganèse réduit du laitier en même temps que l'on augmente de façon continue la teneur en manganèse du bain et quon abaisse la teneur en FeO du lai- tief.
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