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AMELIORATIONS DANS LES PROCEDES DE DECARBURATION DE LA FONTE
ET AUTRES =,TAUX SIMILAIRES A L'ETAT SOLIDE
Il est connu que des objets en fonte peuvent être décarburés, même sous leur point de fusion, s'ils sont chauffés assez longtemps en présence de substances produisant de l'oxygène sous l'influence de la chaleur.
Les méthodes employées jusqu'à ce jour pour l'application de ce principe fonte malléable et recuit - exigent beaucoup de temps et de main d'oeuvre, et par le fait que pareilles opérations sont de nature intermittentes, le procédé n'a pas été utilisé couramment pour convertir la fonte en acier en grandes quantités.
La présente invention s'applique à une méthode de décarburation de la fonte et autres métaux similaires à l'état solide, permettant une rapidité et une réduction de main d'oeuvre telles que les aciéries modernes puissent l'utiliser pour la décarburation avantageuse en masse.
La teneur en carbone peut d'ailleurs être abaissée à des limites extraordinairement basses et économiquement irréalisables par les procédés utilisés à ce jour.
D'après l'invention, la fonte ou alliage est finement divisée, ce qui peut se faire par broyage, mais mieux et plus économiquement par granulation à l'état liquide. Par exemple, à sa sortie d'un haut-fourneau, cubilot ou mélangeur, on la déverse dans de l'eau vigoureusement agitée, ou encore on expose le jet de métal liquide à l'action de vapeur ou air comprimés ou autre moyen mécanique.
L'avantage de la granulation sur le broyage est démontré par le fait qu'il y a moins de tendance d'agglomération pendant l'opération à cause de la forme plus arrondie et plus lisse des petites sphères, surtout à températures élevées, par exemple à 1200 .
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Il a été trouvé désirable de réduire le diamètre des granules, principalement à environ 2 millimètres. Avec des grains de 1 mm, 80% du carbone peut être éliminé en 30 minutes, soit approximativement à la vitesse du procédé Bessemer, tandis que des grains de 4 mm demandent environ 6 heures.
S'il est spécialement requis de décarburer à très basse teneur, il est important de ne pas se servir de grains trop gros.
Puisque le temps requis varie avec la dimension des grains, il peut être avantageux de classifier d'après grosseur et de décarburer chaque série séparément. Le produit décarburé peut aussi être classifié suivant grosseur et pourcentage de carbone dans chacune. Des conditions spécialement favorables peuvent être obtenues si la granulation est effectuée de façon à produire des grains plus ou moins creux à parois minces dues à la formation de gaz pendant la solidification.
La décarburation doit avoir lieu par oxydation du carbone, sans oxydation appréciable et simultanée du fer. Ceci est réalisable si la matière première est décarburée au moyen d'oxydes de fer, par exemple sous forme de riches minerais concentrés qui, à cause de réaction avec le carbone des granules sont réduits en fer, au moins partiellement.
S'il est désiré de maintenir la charge en mouvement pendant la décarburation, ce qui facilite l'usage pratique du procédé, l'addition d'oxydes de fer, du moins en grandes quantités, peut présenter des désavantages. A la température de 1000 environ, requise pour une décarburation suffisamment rapide, l'oxyde de fer a une tendance à s'agglomérer, formant boules qui s'attachent aux parois du four. Dans ce cas, l'oxydation du carbone doit s'opérer sans addition considérable d'oxydes aux granules ; a d'ailleurs constaté que la décarbura- tion peut s'effectuer tout aussi rapidement et sans risque d'oxyder le fer, dans une atmosphère de composition appropriée.
Afin d'oxyder le carbone des granules sans attaquer le fer à la température de 1000 , par exemple, suivant la position d'équilibre de la réaction en question, il est requis que la proportion CO2 : (CO + CO2) des gaz de réaction n'excède pas 1 : 4. A plus basse température, une proportion un peu supérieure à 0,25 est permissible, tandis qu'à plus haute température une diminution du C02 est requise.
Pour que la réaction soit aussi rapide que possible, la quantité de dioxyde de carbone doit être maintenue dans ces limites.
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Le réglage des quantités de CO et C02 dans le four s'effectue mieux en ajoutant de l'oxygène libre qui transforme une partie du CO produit suivant l'équation de déoarburation C02 + C = 200, en dioxyde de carbone pour former un gaz approprié.
Ce procédé, contrairement à celui par oxydes, devient exothermique, ce qui présente un avantage pour l'utilisation pratique de cette nouvelle méthode.
Elle a permis de décarburer à des teneurs plus basses que possible avec les procédés de décarburation à l'état liquide, et cela avec des pertes insignifiantes de fer ou autres éléments excepté le carbone.
Dans une atmosphère oomprenant seulement du CO et C02 dans les proportions mentionnées ci-dessus à pression atmosphérique, il est possible, d'après récentes recherches minutieuses, de réduire le carbone à 0,01 à 1200 .
En incorporant d'autres gaz ou en réduisant la pression, le carbone peut théoriquement être abaissé encore davantage à cette température et 0,01 peut être atteint déjà à 1000 si la pression de CO + C02 est abaissée à 0,3 atmosphère.
Comme gaz de dilution on peut utiliser N2 seul ou avec un mélange de H2 et H20 ou celui-ci seulement. La présence de H2 a l'avantage d'accélérer la vitesse de réaction. Comme exemple de la possibilité de décarburation rapide aux basses teneurs, on peut mentionner le fait que des granules de 1,7 à 1,2 millimètres chauffés à 1000 dans une atmosphère comprenant 10,5 % de C02 et 27,5 % de CO, le restant étant pratiquement de l'azote, peuvent être décarburés à environ 0,01% C en 3 heures sans oxydation pratique du fer.
Quand il s'agit de produire du fer à très basse teneur de carbone, il peut être économique de diriger l'opération pour qu'une oxydation se produise à la surface des granules. Pendant la fusion de ce produit, l'oxyde réagira, en dessous de la température de fusion, sur le carbone restant encore dans les granules et une décarburation très prononcée s'obtiendra dans le bain liquide résultant, ce qui dispensera de forcer l'opération avant la fusion.
L'oxyde décarburant sera ainsi mieux distribué que dans le cas d'une addition d'oxyde pendant la fusion, ce qui peut toutefois se faire avantageusement.
Les mérites de cette méthode par rapport aux autres procédés de décarburation à basse teneur de carbine, se remarquent déjà clairement à la teneur de C = 0,10% et plus particulièrement à C = 0,05, La teneur de 0,03 est difficile à obtenir par les méthodes ordinaires de décarburation à
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l'état liquide.
L'économie calorique du procédé dépend de la possibilité d'utiliser les calories chimiques et physiques des gaz de réaction. Si le gaz produit dans la charge est complètement brûlé en 002, l'opération est tellement exothermique qu'elle peut se produire sans apport de calories extérieures, mais il y aura simultanément danger d'oxydation partielle du fer.
Toutefois on a observé que si la charge est maintenue en mouvement à une vitesse suffisante, les gaz sont brûlés quasi complètement et la majeure partie des calories utilisées dans l'opération, sans qu'une oxydation permanente du fer ne se produise. Le gaz doit alors être dirigé dans un sens opposé à celui de la charge et la combustion doit dès lors se produire successivement de façon à diminuer progressivement le rapport C02 ;CO au fur et à mesure de la réduction du carbone. Il est important que le rapport 002 : CO n'excède pas trop la Dosition d'équilibre dans la zône de décarburation finale, snécialement dans le cas de très basses teneurs.
Dans le cas de plus fortes teneurs, un excès de C02 peut être permis dans l'atmosphère gazeuse au-dessus de la charge, puisque le gaz de réaction, riche en CO, qui s'y développe, protège le fer d'oxydation appréciable.
On a trouvé qu'il est important que l'addition d'oxygène ne soit pas trop libérale pour produire un excès d'oxygène libre dans lefour et plus spécialement près de ses parois, sinon la matière -ooussiéreuse des joints et crevasses s'oxydera facilement et donnera lieu à une augmentation considérable de température qui l'agglomérera et la fixera contre les parois où elle entraînera de nouvelles matières et causera des ennuis sérieux pouvant empêcher la continuité de l'opération.
Comme il n'est pas judicieux d'introduire de grandes quantités d'air dans la zône des réactions finales, il peut devenir difficile de maintenir une température assez élevée à cet endroit. Mais on peut s'arranger à chauffer la charge à une température plus élevée que ne demande sa teneur en carbone au commencement pour que la décarburation finale puisse se produire à température réduite.
Si un apport de chaleur extérieure devient nécessaire on peut utiliser un combustible approprié ou du courant électrique admis dans la charge. Un gaz de réaction très approprié est celui des hauts-fourneaux qui a souvent un rapport C02 :CO très convenable pour les réactions finales dans la
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présente invention. Quand onse sert de combustible gazeux il peut être avantageux de l'introduire chaud pour ajouter des calories àèla charge, spécialement dans la zone de décarburation finale. Ce gaz doit être introduit du côté sortie du four. On peut aussi utiliser du carbone ou autre combustible solide ou liquide mélangé aux granules.
Le carbone, à cause de son poids spécifique réduit, restera principalement au-dessus de la charge pendant son mouvement dans le four et peut être brûlé dans une atmosphère relativement très oxydante, sans danger d'oxyder la masse sous-jascente de petits grainà. L'addition de combustible liquide a été trouvée également intéressante à cause du pouvoir lumineux qu'elle engendre.
On s'est aperçu en plus qu'une désulfuration des granules pouvait se réaliser en même temps que la décarburation par addition de chaux à la charge. Cette chaux peut être remplacée par d'autres bases telles que BaO ou MgO. La granulation elle-même peut aussi favoriser l'élimination d'une partie du soufre.
Plusieurs types de four existants peuvent être utilisés, après certaines modifications, pour le présent procédé, mais le four le plus approprié est le tubulaire rotatif semblable au four à ciment. On a trouvé que la décarburation peut être effectuée dans ce type de four, à une température d'environ 1200 sans danger pour les granules de coller ensemble ou de s'agglomérer si le gaz d'oxydation, de composition indiquée plus haut, est réglé de façon à prévenir toute oxydation appréciable du fer.
Il est nécessaire pour utiliser le procédé dans un four rotatif que la charge ait une épaisseur suffisante et que la vitesse de rotation soit assez élevée. Sinon une décarburation rapide et uniforme ne peut s'obtenir sans oxydation du fer, ce qui signifie perte de métal et collage aux parois avec formation de boules. Les parois du four doivent être bien calorifugées et peuvent être prévues, si désirable, avec une enveloppe intérieure en métal résistant à la chaleur.
Pendant les essais on a trouvé que la charge doit occuper au moins 25% de l'espace et de préférence 35% dans la zône la plus chaude pour obtenir un mélange convenable des granules. La vitesse de rotation doit être suffisamment grande pour que la charge entière soit rapidement en contact avec le gaz de décarburation ou le mélange gazeux. Une vitesse circonférencielle de 5 mètres au moins par minute et même 10 a été trouvée désirable pour obtenir de bons résultats. Et spécialement quand on désire abaisser la teneur en
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carbone aux plus basses limites, il peut être désirable de prévoir dans le four des moyens de soulever la charge pour que, pendant la rotation, elle tombe au travers de la zône de gaz chauds de décarburation.
Les granules les plus gros étant décarburés plus lentement que les petits, il peut être recommandable de séparer ceux-là de la masse décarburée et de les repasser au four, seuls ou avec des granules gros ou petits qui n'ont pas encore été traités.
Dans le dessin annexé, la Fig.l représente une coupe longitudinale d'un four tubulaire rotatif tel qu'utilisé pour décarburer des granules d'après la présente invention. Fig.2 est une section transversale suivant ligne A-A de la Fig.l, et Fig.3 est une section transversale suivant ligne B-B de la Fig.l. Dans la Fig.l on voit une enveloppe de four rotatif 1 avec garnissage calorifuge 2. Les moyens de rotation ne sont pas représentés sur le dessin.
Il est prévu à un bout une ouverture 3 pour 1'introduction des granules carburés 4 qui prennent un niveau tel qu'ils peuvent sortir par l'ouverture opposée 5 du four légèrement incliné, après voyage lent dû à la rotation et à l'inclinaison.
Le four est prévu avec un tube 6 situé excentriquement dans l'ouverture de chargement et se dirigeant vers la sortie. Ce tube admet les gaz oxydants, par exemple de l'air, pour être distribué par tuyères 7 vers la surface inclinée de la charge et sous un angle approprié. De cette surface émane le CO produit par la réaction du carbone des granules avec le 002 de l'atmosphère du four et cela tout le long de la surface de la charge en question en commençant dans la zone où la pempérature est suffisamment élevée pour favoriser cette réaction.
A l'intérieur du tube 6 se trouve un autre tube 8, indiqué en pointillés et destiné à l'introduction d'un gaz de réaction contenant 002 et CO en proportion appropriée, comme le gaz de haut-fourneau, et agissant dans la zone finale des réactions comme indiqué par flèche à la sortie du tube 8.
Pour l'admission d'autres gaz ou combustible, il est prévu un tube 9 dans la sortie du four 5.
Les granules décarburés peuvent être dirigés vers un réfrigérant 10 de construction connue et comprenant une'série de chicanes 11 aveo ouvertures 12 sur leur circonférence permettant le passage lent de ces granules.
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Les chicanes sont disposées dans une cuve cylindrique refroidie par immersion dans une citerne 13 contenant une certaine quantité d'eau.
Quand les granules quittent le four ils sont refroidis à une température telle que l'air ambiant ne peut plus les oxyder.
Dans la Fig.2, une section du tube à air est indiquée par 6, les tuyères par 7 et le tube à gaz par 8. La charge dont la surface est inclinée est marquée 4. Les granules roulent du sommet à la base de l'incliné comme indiqué par flèche et, pendant ce mouvement, sont exposés à l'atmosphère décarburante au-dessus de la charge. Il est important que les tuyères 7 soient disposées sur le tube 6 de façon à ce que l'oxygène de l'air soit complètement utilisé pour l'oxydation du CO en C02 afin que de l'oxygène libre ne puisse exister près des parois chaudes du four au-dessus de la charge, du moins en quantité dangereuse.
Dans la Fig.3, l'enveloppe refroidie est marquée 10, le tube central à gaz 9 et les ouvertures dans les chicanes 12.
Les moyens d'introduction de courant de chauffage éventuel ne sont pas indiqués.
L'invention n'est pas particulièrement limitée à la décarburation de fonte grise ou blanche, mais on peut aussi décarburer toutes mitrailles d'acier telles que tournures et copeaux et même du fer spongieux carburé sous forme de granules.
L'invention peut être également utile pour décarburer des ferros par la réaction gouvernant le présent procédé.