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" Procédé et installation pour l'élaboration de l'acier "
La. présente invention est relative à un procédé d'élaboration de l'acier à partir de fer impur en fusion qu'on affine par conversion en y insufflant du gaz oxydant moins riche en azote que l'air, au cours duquel on brasse le bain pour assurer son homogénéisation rapide, même après que le bouillonnement s'est calmé au point de ne plus assu- rer cette homogénéisation rapide, et pour permettre à l'oxygène insufflé d'assurer les réactions désirées, le gaz insufflé ayant en même temps comme effet d'éviter que la température du bain monte au delà de celle compatible avec la bonne conservation du revêtement intérieur de l'appareil de conversion et, éventuellement, avec une évolution physico-chimique du bain, notamment avec une déphosphoration convenable de celui-ci.
Par homogénéisation rapide, il faut comprendre une homogénéisation en un temps court compatible avec le procédé par conversion.
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L'élaboration de l'acier par insuflation d'un gaz oxydant dans un bain de fer impur, par exemple, de fonte en fusion,est généralement effectuée par insufflation d'air dans le bain, aussi bien dans le procédé de conver- sion connu sous le nom de procédé Bessemer que dans celui connu sous le nom de procédé Thomas.
On sait que l'acier obtenu de cette façon con- tient plus d'azote que celui obtenu par oxydation du bain au moyen de scories oxydantes tel que celui qu'on obtient dans le procédé connu sous le nom de procédé Martin.
Jusqu'à prédent, quand l'usage auquel l'acier est destiné ne tolère pas des quantités d'azote dans l'a- cier telles que celles obtenues par les procédés Dessemer ou Thomas, on a recours à l'acier obtenu par le procédé Martin.
On ne réalise pas une diminution appréciable de la quantité d'azote dissoute dans l'acier en effectuant la conversion au moyen d'air légèrement enrichi en oxygène suivant un procédé proposé dans le but d'accélérer un peu l'opération de conversion.
D'autre part, en pratique, on ne peut pas, comme on l'a proposé, fabriquer de l'acîer par conversion p ur en insufflant de l'oxygène/dans le bain depuis le commen- cement jusqu'à la fin de la conversion. En effet, pour avoir un brassage convenable du bain, on est amené à disposer les tuyères d'insufflation dans le fond de l'ap- pareil de conversion et, dès lors, pour empêcher que celles-ci puissent être envahies par le métal fondu, on est obligé d'insuffler l'oxygène à une vitesse relative- ment grande.
Par conséquent, avec la bonne disposition des tuyères indiquée ci-dessus, le débit d'oxygène imposé pour éviter l'obstruction de ces tuyères est nécessairement grand et conduit , d'une part, à une élévation de la
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température vers la fin de l'opération de conversion, incom- patible avec une bonne conservation des matériaux et, éventuellement, avec une déphosphoration convenable et, d'autre part, à un brassage insuffisant du bain à partir du moment où le bouillonnement du bain par décarburation touche à sa fin.
Dans ces conditions, vers la fin de la décarbu- ration, le carbone encore présent dans le bain est trop dilué pour empêcher une oxydation excessive du fer.
Les inconvénients dus à l'insufflation d'oxygène pur depuis le commencement jusqu'à la fin de la conversion n'existent pas dans le cas d'insufflation d'air naturel ou d'air légèrement enrichi en proportion constante en oxygène depuis le commencement jusqu'à la fin de la conversion.
Cela est dû à la grande masse froide d'azote insufflée dans le bain en même temps que l'oxygène. Mais on a alors les inconvénients d'une trop forte teneur en azote dans l'acier parmi lesquels il faut noter spécialement la sensi- bilité de cet acier aux phénomènes de vieillissement.
La présente invention a comme objet un procédé d'élaboration de l'acier par conversion qui permet d'obte- nir un acier à teneur en azote sensiblement moindre que celle obtenue avec les procédés par insufflation d'air, cette teneur pouvant, par exemple, être inférieure à celle obtenue avec le procédé Martin, ou même être négligeable.
Dans le procédé suivant l'invention, on insuffle dans le bain de l'oxygène et au moins un autre gaz dans une proportion telle que le volume d'azote insufflé dans le bain pendant toute la durée du traitement soit, au maximum, égal au volume des autres gaz insufflés.
En d'autres termes, si parmi les gaz insufflés dans le bain, en plus de l'oxygène, il se trouve de l'azote, le volume d'azote par rapport au volume total insuffle
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au cours de toute la durée du traitement est égal, au maximum, à 50 %.
L'oxygène qu'on emploie dans le procédé suivant l'invention ne doit pas être d'une pureté absolue. Pour des raisons de moindre prix de revient, on peut être amené à utiliser avantageusement de l'oxygène dont la pureté peut descendre jusqu'à 90%.
Bien entendu, pendant toute la conversion, on doit s'arranger pour que, d'une part, la température du bain reste compatible avec une bonne conservation du re- vêtement et, éventuellement, avec l'évolution physico- chimique du bain, notamment avec une déphosphoration con- venable et pour que, d'autre part, le brassage du bain soit suffisant pour assurer l'homogénéisation rapide du bain et pour permettre à l'oxygène d'achever la décarburation et d'effectuer éventuellement la déphosphoration.
En insufflant dans le bain pendant toute la durée de la conversion un volume d'azote égal, au maximum, à 50 % du volume total de gaz insufflé, on réduit forte- ment la teneur de l'acier en azote parce que la solubilité de l'azote dans le métal décroît proportionnellement à la racine carrée de la pression partielle de l'azote dans la phase gazeuse en équilibre physico-chimique avec le métal fondu.,
Bien que, dans les procédés Bessemer et Thomas, la saturation du bain en azote ne soit pas complète, on peut admettre en première analyse que cette saturation est pratiquement atteinte lorsque le métal, au moment de la coulée, atteint la température de solidification. Pour abaisser la teneur en azote,
il faut limiter la température maximum atteinte par le bain d'acier et limiter la quan- tité d'azote insufflée dans le bain, principalement durant la période où celui-ci se trouve porté à très haute
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température parce que la solubilité de l'azote dans le bain augmente à mesure que s'élève la température.
La teneur en azote de l'acier fini peut être amené à celle de l'acier. Martin si la concentration en azote du gaz insufflé ne dépasse pas 25 % du volume total.
En abaissant davantage la teneur en azote du gaz insufflé, on peut obtenir de l'acier à teneur en azote moindre que celle de l'acier Martin. On peut même supprimer toute incorporation d'azote dans l'acier en s'abstenant d'insuffler de l'azote dans le bain, mais alors il faut assurer par d'autres moyens le brassage et le refroidissement du bain après la cessation du bouillon- nement intense concomitant à la décarburation.
Pour éviter que la température du bain puisse atteindre un niveau trop élevé, on dispose de différents moyens qu'on peut utiliser séparément ou en combinaison.
Parmi ces moyens, on peut citer les suivants :
1 - Dans la mesure compatible avec une non ohstruction des tuyères d'insufflation, la réduction de la vitesse des jets d'oxygène er, par conséquent, du débit d'oxygène. En diminuant ce débit, on réduit la quantité de chaleur dégagée par unité de temps ; l'opération deve - nant moins rapide, les pertes calorifiques de l'appareil de conversion exercent une influence relative accrue et le bain s'échauffe moins.
Rappelons que cette diminution du débit d'oxy- gène ne peut pas être importante par rapport au débit de gaz insufflé dans les procédés connus actuellement, à moins qu'on ne dispose latéralement les tuyères, éventuel- lement dans une direction plongeante, ce qui conne lieu à un moins bon brassage du bain.
2 - L'addition au bain de matières relative- ment froides, telles que des mitrailles, des gueuses de
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fonte, dont réchauffement absorbe une partie de la chaleur dégagée.
3 - L'addition au bain de constituants métalli- ques tels que : oxydes métalliques, minerais de fer, mine- rais de manganèse, dont la décomposition est endothermique.
4 - L'addition à l'oxygène d'un gaz composé dont la décomposition est endothermique.
Parmi les gaz qui conviennent à cet effet, il y a lieu de citer spécialement l'anhydride carbonique. Au contact du bain métallique, ce gaz se décompose en oxyde de carbone et en oxygène. L'oxygène ainsi dégagé vient en déduction de la quantité d'oxygène à fournir au bain pour assurer l'oxydation des éléments à éliminer, tandis que l'oxyde de carbone, très peu soluble dans l'acier, provoque un brassage énergique de celui-ci.
Si on ne dispose pas facilement d'une source d'anhydride carbonique, on peut mélanger à l'oxygène d'au- tres gaz à décomposition endothermique. Parmi les gaz dont on peut disposer facilement, citons la vapeur d'eau et les hydrocarbures. Ces gaz ne peuvent évidemment être em- ployés que si l'acier peut contenir sans inconvénient de l'hydrogène.
Une des façons de réaliser le procédé suivant l'invention consiste à commencer la conversion en insufflant dans le bain un mélange gazeux dont la concentration molécu- laire en oxygène est au minimum de 70%, et à finir la con- version, après la phase de bouillonnement intense concomi- tant à la décarburation, en insufflant dans le bain un mélange d'oxygène et d'un autre gaz qui, dans les conditions où il est en contact avec le bain, donne lieu à un dégage- ment gazeux d'au moins 20% du volume de ce dernier mélange.
Lorsque le volume gazeux sortant du bain est d'au moins 20% du volume total qui y entre, le brassage
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convenable du bain et le maintien de la température conve- nable, même en cas de déphosphoration pendant la fin de la conversion, sont assurés par le.gaz qui traverse le bain.
Après l'élimination presque complète du carbone contenu dans la fonte, il n'y a plus production d'une phase gazeuse au sein même du métal par réaction de l'oxy- gène insufflé avec les constituants du bain. Il faut donc apporter par un autre moyen le gaz nécessaire au brassage.
Si la gaz de brassage est prélevé sur les cons- tituants du gaz insufflé, il faut que ces constituants soient de nature telle qu'ils ne puissent être absorbés en totalité par l'acier, soit par dissolution, soit par comble naison. Le gaz de brassage peut avoir été formé dans le bain par décomposition d'un autre gaz qui y est introduit.
C'est le cas notamment pour l'anhydride carbonique.
Les gaz ou les vapeurs pouvant être ajoutés à l'oxygène pour assurer le brassage pendant cette dernière phase de la conversion sont, par exemple, l'azote, l'oxyde de carbone, l'anhydride carbonique, l'hydrogène, la vapeur d'eau, des hydrocarbures. Bien entendu, il y a lieu de tenir compte dans le choix de ces gaz ou vapeurs, de la teneur maximum en gaz tolérée dans l'acier à élaborer. Il va de soi, par exemple, que si l'on veut éviter l'incorpo- ration dans l'acier, soit d'azote, soit d'hydrogène, il faut que.la teneur du gaz insufflé, soit en azote, soit en hydrogène, (ou en un corps pouvant en donner par décompo- sition) soit pratiquement négligeable.
Dans une variante du procédé, on insuffle dans le bain, au début de l'opération de conversion, de l'oxy- gène industriellement pur, c'est-à-dire de pureté supé- rieure à 90%, et lorsque le bouillonnement devient insuf- fisant, on substitue à l'oxygène industriellement pur, un mélange d'oxygène et d'anhydride carbonique. De préfé-
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rence, la concentration en anhydride carbonique est d'au- tant plus forte que le bain est plus chaud. On peut même, dans certains cas, remplacer tout l'oxygène par de l'anhy- dride carbonique, celui-ci donnant lieu au sein du bain à la production d'oxygène qui achève la conversion, en même temps que d'oxyde de carbone qui brasse intensément le bain.
Dans une autre variante du procédé, on insuffle de l'oxygène industriellement pur dans le bain au début de l'opération de conversion et ensuite, après la phase de bouillonnement intense concomitant à la décarburation, on insuffle un mélange d'oxygène et de gaz de haut-fourneau contenant au moins 20 ;; de gaz de haut-fourneau.
Cette dernière variante est généralement d'appli- cation très facile en aciérie puisque, le plus souvent, les appareils de conversion sont installés non loin de hauts-fourneaux. Le gaz de haut-fourneau convient parfai- tement pour achever la conversion après atténuation du bouillonnement intense concomitant à la décarburation, étant donné qu'il contient en plus d'azote, de l'oxyde de carbone et de l'anhydride carbonique.
Suivant une variante du procédé, on insuffle d'abord de l'oxygène industriellement pur dans le bain pour porter rapidement celui-ci au niveau de température le mieux approprié à l'accomplissement des réactions, après quoi, on substitue à l'oxygène industriellement pur, un mélange d'oxygène et d'air ou simplement de l'air, l'addition éventuelle d'oxygène à l'air,dans cette phase du traitement,étant @ choisie en fonction de la tempéra- ture du bain et de la teneur en azote visée pour l'acier fini.
Cette variante ne peut pas être considérée comme une juxtaposition non brevetable de deux procédés connus. Elle constitue une combinaison brevetable de pro- @
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cédés connus parce qu'elle donne lieu à la somme des avantages de ces procédés connus sans entraîner en même temps la somme de leurs inconvénients.
Dans toutes les variantes du procédé;-, dans les- quelles on insuffle de l'oxygène et de l'azote, on peut évidemment faire varier la proportion d'azote insufflée en fonction de la teneur en azote à réaliser dans l'acier fini. Mais on peut en outre faire varier la proportion d'azote au cours du traitement en tenant compte de la va- riation de la température du bain et, par conséquent, du pouvoir dissolvant de l'acier pendant la conversion.
On sait que lorsque l'acier est saturé en azote, sa concentration en azote augmente avec sa température.
Pour limiter la quantité d'azote dissoute dans l'acier, il importe donc de diminuer la concentration en azote du gaz insufflé dans le bain au fur et à mesure que la tem- pérature de celui-ci s'élève. En pratique, on n'arrive pas à la saturation du bain, mais on s'en approche d'au- tant plus que la quantité totale d'azote ayant traversé le bain est plus grande ou encore que la durée de contact du bain avec le gaz contenant de l'azote a été plus grandet.
-Etant donné que la durée de la phase de la conversion qui précède l'atténuation du bouillonnement , intense concomitant à la décarburation vaut plusieurs fois (à peu près trois fois) la durée de la suite du trai- tement, on peut, sans inconvénient, insuffler un gaz plus riche en azote qu'un mélange d'oxygène et d'azote qui serait insufflé pendant toute la durée de la conversion et dont la concentration invariable en azote serait com- patible avec l'obtention d'un acier ayant une teneur déter- minée en azote.
En pratique, on peut donc obtenir une valeur déterminée, fixée à volonté, de la teneur finale de
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l'acier en azote en limitant l'élévation de la température du bain, en agissant sur la concentration en azote du gaz insufflé, en limitant la quantité totale d'azote insufflée dans le bain et en adaptant à chaque instant la concentra- tion en azote du gaz insufflé è la température réelle du bain/
Par le fait qu'on peut commencer la conversion par insufflation d'oxygène, on peut utiliser des fontes chimiquement froides, c'est-à-dire des fontes contenant relativement peu d'éléments thermogènes, tels que le silicium et le manganèse.
Comme on peut le constater, l'invention permet l'élaboration d'acier à partir de fon- tes plus froides chimiquement que celles utilisées cou- ramment en présentant les mêmes garanties de bonne exécu- tion que celles qu'on obtient avec les fontes normales actuelles.
En faisant varier la proportion d'oxygène par rapport aux autres gaz qui sont insufflés dans le bain, soit en-insufflant l'oxygène et les autres gaz simultané- ment (et, dans ce cas, par des tuyères différentes ou en mélange par les mêmes tuyères), soit en insufflant alter- nativement l'oxygène et les autres gaz, on peut facilement modifier l'allure de la conversion et tenir compte presque instantanément des facteurs d'appréciation que l'oh observe au cours de la conversion. L'opérateur peut intervenir comme il le désire rien qu'en réglant les débits d'oxygène et des autres gaz.
En particulier, l'invention peut être réalisée aisément en insufflant dans le bain un mélange d'oxygène et d'anhydride carbonique et, éventuellement, de vapeur d'eau. Ce mélange est le mélange oxydant qui opère la conversion. L'oxygène employé dans ces conditions peut être plus ou moins impur à condition que les autres gaz
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qui y sont mélangés ne puissent pas empêcher l'obtention de la qualité désirée d'acier fini. Il en est de même de l'anhydride carbonique utilisé au cours de la conversion.
Ces gaz, oxygène et anhydride carbonique, peuvent conte- nir, par exemple, de l'azote, de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone, en des proportions très variables à condition que, dans le cas de présence d'azote, la concentration en azote ne soit pas supérieure à 50%, et soit même infé- rieure à 25%, si on veut obtenir de l'acier à teneur en azote non supérieure à la teneur moyenne en azote d'un acier Martin et que, dans le cas de présence d'hydrogène, la concentration en hydrogène ne soit pas supérieure à 5 % si on veut obtenir de l'acier à teneur en hydrogène non supérieure à la teneur moyenne en hydrogène d'un acier Martin.
Au cours de l'opération de conversion, on règle la concentration du mélange en oxygène d'après la tempé- rature atteinte par le revêtement de l'appareil de con- version et d'après l'état physico-chimique du bain en te- nant compte notamment de la composition de celui-ci, de sa température momentahée, de son effervescence. Ce réglage de la concentration en oxygène du mélange gazeux est ef- fectué conformément aux règles suivantes : a) on augmente la concentration moléculaire en oxygène quand on a intérêt à accélérer la montée en tempé- rature du bain. Cette accélération est, par exemple, avantageuse au début de la conversion, surtout quand on utilise une fonte physiquement et/ou chimiquement froide.
L'augmentation de la concentration moléculaire en oxygène peut être obtenue en augmentant simplement le débit d'oxygène ou en réduisant le débit d'anhydride carbonique ou des autres gaz, ou en combinant ces deux moyens;
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b) on abaisse la concentration moléculaire en oxygène libre, d'une part, lorsqu'on a intérêt à ralentir la montée en température, à arrêter cette montée ou même à refroidir le bain, d'autre part, lorsqu'en dehors de la période de vive effervescence concomitante à la décarbu- ration, on a intérêt à intensifier le brassage du bain en augmentant la quantité de gaz qui s'en dégage.
La diminution de la concentration moléculaire en oxygène peut être obtenue en diminuant simplement le débit d'oxygène ou en augmentant le débit d'anhydride carbonique ou d'autres gaz, ou en combinant ces deux moyens.
Quelle que soit la façon dont on effectue la variation de la concentration moléculaire de l'oxygène libre au cours de l'opération de conversion, cette con- centration est, de préférence, supérieure à 70% au début de l'affinage.
Le procédé suivant l'invention peut être réa- lisé aisément dans une installation qui comprend un ap- pareil de conversion dont les tuyères d'insufflation sont alimentées, non pas en oxygène pur ou en air pur, ou légèrement enrichi en oxygène, niais sont alimentées par des conduites d'amenée d'oxygène et d'autres gaz, pour- vues d'organes de réglage du débit des gaz amenés par chacune d'elles. Elle permet donc de faire varier à vo- lonté à chaque instant la proportion d'oxygène par rapport aux autres gaz.
Les dessins joints au présent mémoire représen- tent schématiquement deux installations suivant l'inven- tion.
Les figures 1 et 2 sont chacune une coupe ver- ticale dans un appareil de conversion raccordé aux con- duites d'amenée de gaz pourvues individuellement d'or-
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ganes de réglage du débit qui les traverse.
Dans ces deux figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
A la figure 1, dans le fond 2 d'un appareil de conversion désigné par 3, on a ménagé des tuyères 4 rac- cordées les unes à une conduite 5 servant à l'amenée d'oxygène et les autres à une conduite 6 servant à l'amenée d'un autre gaz, par exemple, de l'anhydride carbonique ou de l'azote. Les conduites 5 et 6 sont pourvues chacune d'un organe de réglage du débit gazeux qui les traverse.
Ces organes de réglage sont schématisés par des robinets 7 et 8 manoeuvrables respectivement à l'aide de leviers 9 et 10 à la disposition de l'opérateur. Ils peuvent être ouverts séparément ou simultanément à n'importe quel degré.
A la figure 2, toutes les tuyères 4 sont raccor- dées à une conduite unique 11 qui est alimentée elle-même par les conduites 5 et 6 équipées de leurs organes de réhlage indépendants 7 et 8.
Dans la description qui précède, il a été ques- tion plus spécialement de-l'élaboration d'acier contenant une teneur déterminée en azote. Un procédé analogue est applicable dans le cas où on désire régler la tenenr de l'acier en hydrogène. Dans ce cas, il faut également que la proportion d'hydrogène par rapport au volume total insufflé dans le bain soit abaissés d'autant plus qu'on veut réduire davantage l'incorporation d'hydrogène dans le bain d'acier. Dans ce cas, suivant l'invention, la con- centration éventuelle en hydrogène du gaz insufflé ne doit à aucun moment dépasser 5%, la quantité totale d'hy- drogène introduite dans le bain restant, de préférence, inférieure à 2 % du volume total de gaz insufflé dans le bain pendant l'ensemble de l'opération.
La variation de la concentration en hydrogène
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pendant la conversion, en fonction de la température atteinte à chaque instant par le bain, est égale rient avan- tageuse.
REVENDICATIONS
1. Procédé d'élaboration de l'acier à partir de fer impur en fusion qu'on affine par conversion en y insufflant du gaz oxydant moins riche en azote que l'air, au cours duquel, on brasse le bain pour assurer son homo- généisation rapide, même après que le bouillonnement s'est calmé au point de ne plus assurer cette homogénéisation ra- pide et pour permettre à l'oxygène insufflé d'assurer les réactions désirées, le gaz insufflé ayant en même temps comme effet d'éviter que la température du bain monte au delà de celle compatible avec la bonne conservation du revêtement intérieur de l'appareil de conversion et, éven- tuellement, avec une évolution physico-chimique du bain et notamment avec une déphosphoration convenable de celui- ci,
caractérisé en ce qu'on insuffle dans le bain de l'oxygène et au moins un autre gaz dans une pro- portion telle que le volume d'azote insufflé dans le bain pendant toute la durée du traitement soit, au maximum, égal au'volume de l'ensemble des autres gaz insufflés.