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"PROCEDE ET INSTALLATION POUR L'ELABORATION DE L'ACIER".
La présente invention est relative à un procédé d'élabora- tion de l'acier par conversion de fer impur en fusion,en deux phases dont la première consiste en un soufflage au moyen d'un mélange à base d'oxygène et d'azote, la seconde en un souf- flage au moyen d'un mélange à base d'oxygène et d'anhydride carbonique moins thermogène que l'air et constitué d'oxygène et d'au moins un gaz à dissociation endothermique.
On sait qu'on recherche actuellement des aciers qui ont non seulement une composition bien déterminée mais, en outre, une très faible teneur en gaz dissous, notamment en azote, et une très faible teneur en inclusions non métalliques.
Lorsque la conversion est effectuée au moyen d'air atmos- phérique, on peut facilement conduire l'opération pour que, en tenant compte de la température de la fonte à l'enfournement, de la composition chimique de celle-ci, de la composition du
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reste de la charge (mitrailles froides, chaux, ferro-alliages, oxydes de fer, etc.), la température du bain à la fin de la con- version soit suffisante pour permettre une séparation convenable des composés non métalliques résultant du raffinage de l'acier' par addition finale de ferro-alliages, et soit insuffisante pour provoquer une destruction rapide du revêtement et des tuyères d'amenée d'air.
Ces conditions bien connues et pratiquées dans les aciéries Bessemer acide ou basique sont désignées ci-après par "conver- sion normale à l'air".
Lorsque la conversion est effectuée au moyen d'air enrichi en oxygène, on peut également conduire facilement l'opération de façon à avoir une bonne température finale du bain à conditio, de réduire la quantité d'éléments thermogènes de la charge et/ou d'augmenter la quantité de mitrailles froides ou d'oxydes de fer. C'est d'ailleurs souvent dans le but de pouvoir augmenter la quantité de mitrailles et d'accélérer l'opération que le soufflage à l'air enrichi en oxygène est utilisé.
Ces conditions bien connues et pratiquées dans les aciéries Bessemer acide ou basique sont désignées ci-après par "conver- sion normale à l'air enrichi".
La conversion normale à l'air enrichi et la conversion nor- male à l'air seront désignées ci-après par l'expression "conver- sion normale".
La conversion normale donne lieu à une teneur en azote de l'acier fini qui confère à celui-ci une sensibilité excessive au vieillissement.
Un des procédés proposés pour abaisser la teneur en azote consiste à réduire autant que possible la température finale du bain mais même en ne procurant pas une teneur en azote aussi faible que celle d'un bon acier Martin, il donne lieu à une teneur excessive en inclusions solides.
Un autre procédé qui a été proposé par le demandeur pour
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abaisser la teneur en azote d'un acier obtenu par conversion, consiste à commencer le soufflage au moyen d'air ou d'air enri- chi en oxygène et de le terminer au moyen d'un mélange à base d'oxygène et d'anhydride carbonique et ne contenant pas d'azote ou en contenant peu.
La proportion d'anhydride carbonique par rapport à celle d'oxygène dans le mélange propose varie dans d'assez larges li- mites et il a notamment été proposé de faire varier la quantité d'anhydride carbonique entre 20 et 80 % du volume du mélange.
Pour les fortes proportions d'anhydride carbonique, le mélange est sensiblement moins thermogène que l'air atmosphérique. En effet, un mélange oxydant qui aurait le même pouvoir thermogène que l'air atmosphérique et qui pourrait être appelé ' mélange iso-air" serait celui qui échaufferait le bain exactement autant que le ferait l'air atmosphérique à égalité de nombre de môles d'oxygène réagissant avec le bain et apportées à celui-ci, soit par le mélange envisagé, soit par l'air atmosphérique.
Le calcul de la composition des mélanges iso-air se fait en déterminant à l'aide des tables de thermo-chimie la chaleur d'échauffement (rapportée à une môle d'oxygène réagissant sur les éléments oxydables du bain métallique) du mélange, eu égard aux chaleurs spécifiques des constituants et aux chaleurs la- tentes de dissociation de ceux des constituants qui se disso- cient en traversant le bain. On trouve ainsi que la composi- tion iso-air d'un mélange d'oxygène et de C02 contenant environ 5 % d'impuretés est, suivant la température du bain comprise entre 0,75 et 0,8 d'anhydride carbonique pour 1 d'oxygène libre.
Le demandeur a crû antérieurement qu'en se basant sur ces considérations théoriques, il serait très simple de réaliser une conversion correcte, tant au point de vue de la température finale du bain que de sa composition chimique, en remplaçant en tout ou en partie le soufflage à l'air par le soufflage à l'aide d'un mélange de 02 et de C02 de composition appropriée à la tem-
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pérature finale visée.
Eu égard aux caractéristiques des réfractaires actuelle- ment utilisés, ce procédé présente l'inconvénient de donner lieu à une attaque violente des tuyères d'insufflation si l'on insuffle un mélange iso-air d'oxygène et d'anhydride carbonique pendant un temps suffisant pour balayer une grande partie de l'azote qui a été dissous dans l'acier pendant le soufflage à l'air atmosphérique ou à l'air enrichi en oxygène. Il en ré- sulte que les fonds des convertisseurs doivent être remplacés fréquemment, que la marche normale de l'aciérie s'en trouve compromise et que le coût des réfractaires devient prohibitif.
Si, au lieu d'un mélange iso-air, on insuffle pendant la deuxième phase du procédé un mélange dont la proportion d'an- hydride carbonique, supérieure à celle du mélange iso-air, est suffisamment forte pour assurer une longévité raisonnable aux tuyères dans les fonds des convertisseurs, la température du bain en fin de conversion n'atteint pas la valeur qui convient pour permettre l'élimination des inclusions solides et même pour réaliser la coulée dans des conditions satisfaisantes.
Il est à noter, en outre, qu'en marche industrielle, il est pratiquement impossible de mesurer, en cours de conversion par le vent, l'évolution de la température en fonction de l'é- volution de la composition chimique du bain.
Il est donc pratiquement impossible de savoir, sauf dans des cas tout à fait anormaux, si le mélange insufflé est trop ou trop peu thermogène et ce n'est qu'en fin de conversion que l'on peut constater si l'opération a été normale, trop chaude ou trop froide. Hais alors, le mal éventuel est fait. Il est donc illusoire de penser qu'il serait possible, en marche in- dustrielle, de contrôler la température de fin de conversion, simplement en ajustant en cours d'opération la teneur en anhy- dride carbonique du mélange oxycarbonique utilisé dans la se- conde,phase du soufflage.
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La présente invention a comme objet un procédé qui définit avec précision en une nouvelle règle technique les conditions à remplir depuis la préparation de la conversion jusqu'à l'achè- vement de celle-ci pour éviter les inconvénients susdits, c'est- à-dire pour réaliser de façon constante une teneur en azote in- férieure à une limite prédéterminée et, par exemple, infé- rieure à 0,006% tout en obtenant un acier propre quant à la te- neur en inclusions non métalliques.
Le principe directeur de ce procédé consiste à utiliser pendant la deuxième phase du soufflage, c'est-à-dire lorsque le bain est déjà relativement chaud, un mélange d'anhydride carboni que et d'oxygène de composition déterminée à priori et dans le- quel la proportion d'oxygène libre est suffisamment faible pour ne pas provoquer une destruction trop rapide des tuyères d'insuf flationj à incorporer au bain, pendant la première phase de soufflage, c'est-à-dire pendant que le bain est encore relative- ment froid, une quantité de chaleur qui, d'une part, compense le déficit de calories que le bain subit par rapport àune conversion normale pendant la deuxième phase, et, d'autre part, ne détério- re pas les tuyères d'insufflation pendant la première phase ;
à déterminer en fonction des facteurs qui provoquent le boni calo- rifique du bain pendant la première phase et de ceux qui provo- quent le mali calorifique du bain pendant la deuxième phase (boni et mali s'entendant par rapport à une conversion normale), le moment où il faut passer de la première à la deuxième phase.
Rappelons qu'une conversion normale est caractérisée par une fonte d'une analyse chimique déterminée, par une température d'enfournement déterminée de cette fonte, par une constitution déterminée de la charge, par une concentration connue en oxygène de l'air ou de l'air enrichi utilisé pour le soufflage et par une température finale optima qui dépend de la composition de l'acier désiré.
La concentration en oxygène de l'air soufflé pendant une
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conversion normale sera désignée ci-après par la lettre a.
Pour constituer, pendant la première phase, la réserve de calories qui compense le déficit subi pendant la deuxième phase on peut utiliser, pendant-cette première phase, un mélange plus riche en oxygène que celui utilisé dans une conversion normale de référence mais qui ne soit pas exagérément destructifpour les tuyères. La concentration en oxygène de ce mélange, qui sera désignée ci-après par la lettre b, ne sera pas supérieure à 40 %, eu égard aux caractéristiques des réfractaires dont on dispose actuellement.
Pour constituer la réserve de calories susdite, on peut aussi augmenter la teneur de la charge en éléments thermogènes par rapport à la charge pour conversion normale, sans dépasser les valeurs maxima admises dans la bonne pratique de l'affinage des fontes par le vent.
Pour éviter la destruction trop rapide des tuyères d'insuffla- tion d'air pendant la deuxième phase, on utilise un mélange d'oxygène et de gaz à dissociation endothermique tels que l'an- hydride carbonique et l'eau, dans lequel le rapport du nombre de môles des gaz à dissociation endothermique au nombre de môles, d'oxygène libre est au moins égal à 1. Ce rapport sera désigné ci-après par la lettre m.
Si la quantité d'éléments thermogènes tels que le silicium et le phosphore sont les mêmes quand on réalise le procédé sui- vant l'invention que quand on réalise la conversion normale de référence, la fin de la première phase est déduite du nombre de môles A incorporé au bain pendant cette phase et qui doit satis- faire à la relation
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où T est le nombre total de môles d'oxygène à incorporer dans le le bain métallique pour réaliser l'affinage depuis/début de l'opération jusqu'à obtention de la composition finale de l'a- cier.
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Connaissant a par la conversion normale de référence, T étant calculé d'après la composition chimique de la fonte, m étant supérieur à 1 et b étant choisi supérieur à a et au ma- ximum égal à 40 %, on peut calculer A. Lorsqu'on connaît A, on peut en déduire le volume d'air enrichi à insuffler pendant la première phase et aussi la durée de cette première phase, eu égard au débit de la soufflante.
Si on réalise le procédé suivant l'invention au moyen d'un: charge n'ayant pas la même proportion d'éléments thermogènes, de mitrailles et d'oxydes de fer que celle de la conversion nor male de référence, la relation à laquelle A doit satisfaire est, pour une conversion Bessemer acide :
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et, pour une conversion Bessemer basique :
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Dans ces relations II et III, s, p, f et r sont les quan- tités en grammes respectivement de silicium, de phosphore, de mitrailles froides et de fer introduit sous forme d'oxydes (de composition moyenne Fe 0 ) dont la charge diffère par rapport au poids de ces mêmes éléments dans la charge utilisée en con- version normale, ces paramètres pouvant être positifs, nuls ou négatifs suivant que les quantités de silicium, de phosphore, de mitrailles froides ou d'oxydes de fer que contient la charge sont supérieures, égales ou inférieures aux quantités de ces mêmes éléments dans la charge traitée en conversion normale.
On peut donc se permettre, en réalisant le procédé suivant l'invention, d'augmenter ou de réduire la proportion de sili- cium, de phosphore, de mitrailles et d'oxydes de fer de la char ge par rapport au cas de la charge, que l'on traitait habituel- lement dans la conversion normale, à condition d'affecter les
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valeurs en grammes de s, de p, de f et de r du signe positif ou négatif suivant qu'il y a augmentation ou diminution de ces élé- ments par rapport à la charge de la conversion normale de réfé- rence.
La fin de la deuxième phase est déduite du nombre de môles N d'oxygène incorporé au bain pendant cette phase et qui est donné par la relation
N = T - A
Connaissant T par le calcul et A par l'une ou l'autre des relations I à III, on trouve N qui assure le bilan calorifique convenable. Si on utilise le signe = dans ces relations, on trouve la valeur de N qui procure,en fin d'opération,une tempé- rature théoriquement la même que celle de la conversion normale.
Si on utilise le signe < dans ces relations, on trouve une va- leur de N qui procure, en fin d'opération, une température supé- rieure à celle de la conversion normale, l'excès de température étant d'autant plus grand que N est plus petit. Il est à re- marquer qu'une partie de l'oxygène pouvant entrer en réaction se trouve sous la forme d'oxygène libre dans le mélange avant l'introduction de celui-ci dans le bain et que l'autre partie provient de la dissociation des autres gaz, par exemple, de l'anhydride carbonique et de la vapeur d'eau, après introduction donc dans le bain.' N tient/compte de l'oxygène provenant de ces deux sources.et est déterminé en supposant que la dissociation est complète.
Si, eu égard aux conditions de travail, la dissocia- tion était incomplète, le nombre A de môles d'oxygène à introdui re pendant la première phase peut être diminué de 8 y ab/b-a, y étant le nombre de môles de C02 traversant le bain sans être dissociées.
Il est à noter que pour avoir un acier de qualité sembla- ble à celle d'un bon acier Martin, il faut que la durée de la deuxième phase soit suffisamment longue et soit effectuée par un gaz relativement pur et ne contenant notamment que peu d'a-
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zote.
Cette durée doit notamment être telle que le nombre de mô- les N soit au minimum égal à un quart et, de préférence, ne soit pas inférieur à un tiers du nombre total de môles d'oxy- gène incorporées au bain pendant la conversion complète, lors- que celle-ci est une conversion Bessemer acide et soit au mi- nimum égal à trois dixièmes et, de préférence, ne soit pas infé rieur à quatre neuvièmes du nombre total de môles d'oxygène in- corporées au bain pendant la conversion complète, lorsque celle ci est une conversion Bessemer basique.
Si le nombre de môles N calculé par l'une ou l'autre des relations I à III ne satisfait pas à cette dernière condition, il y a lieu de choisir d'autres valeurs pour A et éventuelle- ment pour certains des paramètres tels que b, m, s, p, f et r jusqu'à ce que le nombre N de môles trouvé par les relations I à III satisfasse à cette condition.
Tuant à la teneur en impuretés H, N, CO, etc., du mélange d'oxygène et d'anhydride carbonique utilisé pendant la deuxième phase, il faut qu'elle soit inférieure à 10 de la teneur en anhydride carbonique, la teneur en azote étant elle-même infé- rieure à 5 % de la teneur en c-nhydride carbonique si l'on dési- re obtenir un acier à moins de 0,006 .d'azote.
Si le mélange contient de la vapeur d'eau, celle-ci ne doii pas être comprise parmi les impuretés mais le rapport du nombre de môles d'eau au nombre de môles d'anhydride carbonique doit être au maximum égal à 1/10
A mesure qu'on s'écarte de ces conditions optima quant à 1: durée de la deuxième phase et à la pureté du mélange oxycarbo- nique, on obtient un acier dont la teneur en azote s'élève pro- gressivement mais qui, du fait du procédé suivant l'invention, reste, dans chaque cas, comprise entre des limites assez rapprc chées.
La règle technique précise qui constitue le procédé suiva@
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l'invention peut se résumer comme suit : par rapport à une conversion normale, on augmente la teneur en oxygène de l'air soufflé pendant la première phase sans que cette teneur b en oxygène dépasse 40% en volume; pendant la deuxième phase, on souffle un mélange à base d'oxygène et d'an- hydride carbonique moins thermogène que l'air, dont le rapport m du nombre de môles des gaz à dissociation endothermique au nombre de môles d'oxygène libre dans le mélange avant dissocia- tion est au moins égal à 1 et dont le rapport du nombre de môle: de vapeur d'eau au nombre de môles d'anhydride carbonique est au maximum égal à 1/10;
le moment où on passe de la première pha- se à la seconde phase est déduit du nombre A de môles d'oxygène incorporées au bain pendant la première phase et qui doit sa- tisfaire, dans le cas d'une conversion Bessemer acide, à la relation :
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et, dans le cas d'une conversion Bessemer basique, à la rela- tion
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relations dans lesquelles A, m et b ont les significations don- nées plus haut, T est le nombre de môles d'oxygène à incorporer dans le bain métallique pour réaliser l'affinage depuis le débu:
de l'opération jusqu'à obtention de la composition finale de l'acier, a est la teneur en oxygène du gaz utilisé dans une con version normale, s, p, f et r sont les quantités en grammes res pectivement de silicium, de phosphore, de mitrailles froides et de fer introduit sous forme d'oxydes (de composition moyenne FeO) dont la charge diffère par rapport au poids de ces mêmes éléments dans la charge utilisée en conversion normale, ces pa- ramètres pouvant être positifs, nuls ou négatifs suivant que le quantités de silicium, de phosphore, de mitrailles froides ou
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d'oxydes de fer que contient la charge sont supérieures, égales ou inférieures aux quantités de ces mêmes éléments dans la charge traitée en conversion normale ; fin de la deuxième phase est déterminée par la relation :
N = T - A dans laquelle N est le nombre de môles d'oxygène incorporées au bain pendant la deuxième phase, ce nombre de môles N devant être au minimum égal à un quart et, n'étant, de préférence, pas in- férieur à un tiers du nombre total T de môles d'oxygène incorpo- rées au bain pendant la conversion complète, lorsque celle-ci est une conversion Bessemer acide et devant au minimum être égal à trois dixièmes et, n'étant, de préférence, pas inférieur à quatre neuvièmes du nombre total T de môles d'oxygène incorpo- rées au bain pendant la conversion complète,lorsque celle-ci est une conversion Bessemer basique.
De préférence, on effectue le soufflage pendant la premiè- re phase au moyen d'air enrichi dont la teneur b en oxygène est comprise entre 25 et 35
Quant au soufflage pendant la deuxième phase, on l'effectue avantageusement au moyen d'un mélange dont le rapport m est com- ce pris entre 1,2 et 2. Ilême avec/dernier rapport, on peut encore faire passer pendant la seconde phase un nombre N de môles d'oxy gène au moins égal à trois dixièmes du nombre total de môles d'oxygène incorporées au bain pendant toute la durée d'une con- version Bessemer basique.
Avec des rapports m compris entre 1,2 et 2, les tuyères d'insufflation durent substantiellement aussi longtemps que dans le cas d'une-conversion normale et on n'a pas à craindre que le bain soit trop froid si l'exécution du procédé diffère un peu de ce qu'elle devrait être.
Le mélange moins thermogène que l'air employé dans la deu- xième phase du procédé suivant l'invention donne lieu à une évo- lution chimique relativement rapide du bain du fait de la haute
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teneur en oxygène réactif du mélange. Il en résulte qu'il est plus difficile d'observer avec précision l'évolution du bain que dans le cas d'un soufflage à l'air.
Pour éviter, en marche industrielle, le risque d'irrégula- rités pouvant en résulter, on propose de réduire le volume souf flé par unité de temps et par tonne de métal par rapport au cas d'une conversion normale et pour cela on utilise avantageuse- ment un convertisseur dont les tuyères d'insufflation ont une section moindre que pour une conversion normale.
La section des tuyères, leur nombre et la pression d' insuf flation sont coordonnés de façon que l'incorporation de l'oxy- gène dans le bain ne dépasse pas 500 môles par minute et par tonne de métal.
La section de ces tuyères qui, dans le cas d'une conver- sion normale Bessemer acide ou basique vaut respectivement de
12 à 15 cm2 ou de 15 à 25 cm2 par tonne de métal contenue dans le convertisseur, est avantageusement comprise, dans un conver- tisseur pour la réalisation du procédé suivant l'invention, en- tre 6 et 10 cm2 par tonne de métal pour une conversion Besse- mer acide et entre 10 et 15 cm 2 par tonne de métal pour une conversion Bessemer basique.
Si on désirait ramener la vitesse de l'évolution chimique du bain vers la fin de la conversion à ce qu'elle est en conver sion normale, il faudrait réduire davantage la section de pas- sage des tuyères, eu égard à la forte teneur en oxygène réactif du mélange oxycarbonique. '.lais alors, la durée du soufflage pendant la première phase serait beaucoup plus longue qu'en conversion normale.
Pour remédier à cet inconvénient, il est préférable de choisir pour la section des tuyères une valeur comprise entre- . les limites indiquées ci-dessus, la durée de la deuxième phase restant dans ces conditions assez longue pour que l'opérateur ait le temps d'apprécier l'état du bain vers la fin de la con-
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version et puisse commander à bon escient le moment précis où celle-ci doit prendre fin.
Un convertisseur convenant pour la réalisation du procédé suivant l'invention est représenté en coupe verticale au des- sin ci-annexé.
Dans ce dessin, on a représenté un convertisseur 2 dont le fond 3 est équipé d'un certain nombre de tuyères 4 servant à l'insufflation des gaz oxydants grâce auxquels la conversion est effectuée. La section totale de ces tuyères est détermi- née en fonction de la charge à traiter dans le convertisseur et elle est plus grande, dans le cas d'un convertisseur pour conversion Bessemer basique, que dans le cas d'un convertis- seur pour conversion Bessemer acide.
Dans le premier de ces cas, elle est, de préférence, com- prise entre 10 et 15 centimètres carrés par tonne de métal à traiter et dans le deuxième, entre 6 et 10 centimètres carrés par tonne. Il est, en outre, avantageux d'utiliser des tuyères dont le diamètre soit compris entre 8 et 12 millimètres,au lieu des tuyères de plus grand diamètre, généralement utilisées pour une conversion normale.
Les tuyères 4 sont alimentées par une conduite 5 en com- munication avec deux autres conduites 6 et 7. L'une de ces der- nières sert à l'amenée de l'air enrichi et l'autre à l'amenée du mélange oxycarbonique. Chacune d'elles est pourvue d'une vanne 8.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"PROCESS AND INSTALLATION FOR THE PREPARATION OF STEEL".
The present invention relates to a process for producing steel by converting impure molten iron, in two phases, the first of which consists of blowing using a mixture based on oxygen and nitrogen. , the second in blowing by means of a mixture based on oxygen and carbon dioxide less thermogenic than air and consisting of oxygen and at least one endothermically dissociating gas.
It is known that steels are currently being sought which have not only a well-determined composition but, in addition, a very low content of dissolved gas, in particular nitrogen, and a very low content of non-metallic inclusions.
When the conversion is carried out by means of atmospheric air, the operation can easily be carried out so that, taking into account the temperature of the cast iron at the time of charging, its chemical composition, the composition of
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remainder of the charge (cold scrap, lime, ferroalloys, iron oxides, etc.), the temperature of the bath at the end of the conversion is sufficient to allow proper separation of the non-metallic compounds resulting from the refining of the 'steel' by the final addition of ferroalloys, and is insufficient to cause rapid destruction of the coating and air supply nozzles.
These conditions, well known and practiced in acidic or basic Bessemer steelworks, are hereinafter referred to as "normal air conversion".
When the conversion is carried out by means of air enriched with oxygen, the operation can also be easily carried out so as to have a good final temperature of the conditio bath, to reduce the quantity of thermogenic elements of the load and / or '' increase the quantity of cold scrap metal or iron oxides. It is also often in order to be able to increase the quantity of scrap metal and to speed up the operation that blowing with oxygen enriched air is used.
These conditions, well known and practiced in acidic or basic Bessemer steelworks, are hereinafter referred to as "normal conversion in enriched air".
Normal conversion to enriched air and normal conversion to air will hereinafter be referred to as "normal conversion".
Normal conversion results in a nitrogen content in the finished steel which makes it excessively sensitive to aging.
One of the methods proposed for lowering the nitrogen content is to reduce the final bath temperature as much as possible, but even by not providing a nitrogen content as low as that of a good Martin steel, it gives rise to an excessive content of solid inclusions.
Another method which has been proposed by the applicant for
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lowering the nitrogen content of a steel obtained by conversion, consists in starting the blowing by means of air or air enriched in oxygen and ending it by means of a mixture based on oxygen and carbon dioxide and containing no or little nitrogen.
The proportion of carbon dioxide relative to that of oxygen in the mixture proposed varies within fairly wide limits and it has in particular been proposed to vary the quantity of carbon dioxide between 20 and 80% of the volume of the mixture. .
For high proportions of carbon dioxide, the mixture is significantly less thermogenic than atmospheric air. Indeed, an oxidizing mixture which would have the same thermogenic power as atmospheric air and which could be called an 'iso-air mixture' would be the one which would heat the bath exactly as much as the atmospheric air would do it with an equal number of moles d. oxygen reacting with the bath and brought to it, either by the mixture envisaged, or by atmospheric air.
The composition of iso-air mixtures is calculated by determining, using thermochemical tables, the heating heat (referred to a mole of oxygen reacting on the oxidizable elements of the metal bath) of the mixture, given taking into account the specific heats of the constituents and the latent heats of dissociation of those of the constituents which dissolve on passing through the bath. It is thus found that the iso-air composition of a mixture of oxygen and CO 2 containing approximately 5% of impurities is, depending on the temperature of the bath, between 0.75 and 0.8 of carbon dioxide per 1. of free oxygen.
The Applicant has previously believed that, based on these theoretical considerations, it would be very easy to achieve a correct conversion, both from the point of view of the final temperature of the bath and of its chemical composition, by replacing all or part of the air blowing by blowing with the aid of a mixture of 02 and C02 of composition appropriate to the temperature
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final target temperature.
Having regard to the characteristics of the refractories currently used, this process has the drawback of giving rise to a violent attack on the insufflation nozzles if an iso-air mixture of oxygen and carbon dioxide is blown for a period of time. sufficient to sweep away much of the nitrogen that has been dissolved in the steel during blowing with atmospheric air or oxygen enriched air. As a result, the converter heads must be replaced frequently, the normal operation of the steelworks is compromised and the cost of refractories becomes prohibitive.
If, instead of an iso-air mixture, during the second phase of the process is blown a mixture of which the proportion of carbon dioxide, greater than that of the iso-air mixture, is sufficiently high to ensure a reasonable longevity of the nozzles in the bottoms of the converters, the temperature of the bath at the end of the conversion does not reach the value which is suitable for allowing the elimination of solid inclusions and even for carrying out the casting under satisfactory conditions.
It should also be noted that in industrial operation, it is practically impossible to measure, during conversion by the wind, the change in temperature as a function of the change in the chemical composition of the bath.
It is therefore practically impossible to know, except in completely abnormal cases, whether the blown mixture is too thermogenic or too little and it is only at the end of the conversion that one can see whether the operation has been normal, too hot or too cold. But then, the possible harm is done. It is therefore illusory to think that it would be possible, in industrial operation, to control the temperature at the end of the conversion, simply by adjusting the carbon dioxide content of the carbon dioxide mixture used in the process during the operation. conde, blowing phase.
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The object of the present invention is a method which defines with precision in a new technical rule the conditions to be fulfilled from the preparation of the conversion until its completion in order to avoid the aforementioned drawbacks, that is to say ie to consistently achieve a nitrogen content below a predetermined limit and, for example, below 0.006% while obtaining a clean steel as to the content of non-metallic inclusions.
The guiding principle of this process consists in using during the second phase of blowing, that is to say when the bath is already relatively hot, a mixture of carbon dioxide and oxygen of a composition determined a priori and in the - which the proportion of free oxygen is low enough so as not to cause too rapid destruction of the insufflation nozzles to be incorporated into the bath, during the first blowing phase, that is to say while the bath is still relatively cold, a quantity of heat which, on the one hand, compensates for the calorie deficit that the bath undergoes compared to a normal conversion during the second phase, and, on the other hand, does not damage the nozzles of insufflation during the first phase;
to be determined according to the factors which cause the calorific surplus of the bath during the first phase and those which cause the calorific mali of the bath during the second phase (bonus and mali being understood in relation to a normal conversion), when to go from the first to the second phase.
Let us recall that a normal conversion is characterized by a cast iron with a determined chemical analysis, by a determined charging temperature of this cast iron, by a determined constitution of the charge, by a known concentration of oxygen in the air or enriched air used for blowing and by an optimum final temperature which depends on the composition of the desired steel.
The oxygen concentration of the blown air during a
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normal conversion will be designated hereafter by the letter a.
To constitute, during the first phase, the reserve of calories which compensates for the deficit undergone during the second phase, it is possible to use, during this first phase, a mixture richer in oxygen than that used in a normal reference conversion but which is not not overly destructive for the nozzles. The oxygen concentration of this mixture, which will be designated below by the letter b, will not be greater than 40%, having regard to the characteristics of the refractories currently available.
To constitute the aforementioned reserve of calories, it is also possible to increase the content of the feed in thermogenic elements relative to the feed for normal conversion, without exceeding the maximum values admitted in the good practice of refining cast iron by wind.
In order to avoid too rapid destruction of the air supply nozzles during the second phase, a mixture of oxygen and endothermically dissociating gases such as carbon dioxide and water is used, in which the ratio of the number of moles of the endothermically dissociating gases to the number of moles of free oxygen is at least equal to 1. This ratio will be designated hereafter by the letter m.
If the quantity of thermogenic elements such as silicon and phosphorus are the same when the process according to the invention is carried out as when the normal reference conversion is carried out, the end of the first phase is deduced from the number of moles Incorporated into the bath during this phase and which must satisfy the relationship
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where T is the total number of moles of oxygen to be incorporated into the metal bath to achieve the refining from / start of the operation until the final composition of the steel is obtained.
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Knowing a by the normal reference conversion, T being calculated according to the chemical composition of the cast iron, m being greater than 1 and b being chosen greater than a and at most equal to 40%, we can calculate A. When 'A is known, it is possible to deduce therefrom the volume of enriched air to be blown during the first phase and also the duration of this first phase, having regard to the flow rate of the fan.
If the process according to the invention is carried out by means of a: charge not having the same proportion of thermogenic elements, of scrap metal and of iron oxides as that of the standard reference conversion, the relation to which A must satisfy is, for an acid Bessemer conversion:
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and, for a basic Bessemer conversion:
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In these relations II and III, s, p, f and r are the quantities in grams respectively of silicon, phosphorus, cold scrap and iron introduced in the form of oxides (of average composition Fe 0) whose charge differs with respect to the weight of these same elements in the charge used in normal conversion, these parameters may be positive, zero or negative depending on whether the quantities of silicon, phosphorus, cold scrap or iron oxides contained in the charge are greater than, equal to or less than the quantities of these same elements in the charge processed in normal conversion.
It is therefore possible, by carrying out the process according to the invention, to increase or reduce the proportion of silicon, phosphorus, scrap and iron oxides of the charge compared to the case of the charge. , which was usually treated in the normal conversion, provided that the
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values in grams of s, p, f and r with a positive or negative sign depending on whether there is an increase or decrease in these elements in relation to the load of the normal reference conversion.
The end of the second phase is deduced from the number of moles N of oxygen incorporated in the bath during this phase and which is given by the relation
N = T - A
Knowing T by calculation and A by one or the other of relations I to III, we find N which provides the appropriate calorific balance. If we use the sign = in these relations, we find the value of N which gives, at the end of the operation, a temperature theoretically the same as that of the normal conversion.
If we use the sign <in these relations, we find a value of N which gives, at the end of the operation, a temperature higher than that of the normal conversion, the excess temperature being all the greater. that N is smaller. It should be noted that part of the oxygen which can enter into reaction is in the form of free oxygen in the mixture before the latter is introduced into the bath and that the other part comes from the mixture. dissociation of other gases, for example, carbon dioxide and water vapor, therefore after introduction into the bath. ' N takes / account for oxygen from these two sources. And is determined assuming dissociation is complete.
If, having regard to the working conditions, the dissociation was incomplete, the number A of oxygen moles to be introduced during the first phase may be reduced by 8 y ab / ba, where y is the number of C02 moles passing through. the bath without being dissociated.
It should be noted that in order to have a steel of similar quality to that of a good Martin steel, the duration of the second phase must be sufficiently long and be carried out by a relatively pure gas and containing in particular only a small amount of gas. 'at-
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zote.
This duration must in particular be such that the number of moles N is at least equal to a quarter and, preferably, is not less than one third of the total number of moles of oxygen incorporated in the bath during the complete conversion. , when this is an acid Bessemer conversion and is at least equal to three tenths and, preferably, is not less than four ninths of the total number of oxygen moles incorporated in the bath during the bath. full conversion, when this is a basic Bessemer conversion.
If the number of moles N calculated by one or the other of relations I to III does not satisfy this last condition, other values should be chosen for A and possibly for some of the parameters such as b, m, s, p, f and r until the number N of moles found by the relations I to III satisfies this condition.
Depending on the content of impurities H, N, CO, etc., of the mixture of oxygen and carbon dioxide used during the second phase, it must be less than 10 of the carbon dioxide content, the carbon dioxide content. nitrogen itself being less than 5% of the carbon dioxide content if it is desired to obtain a steel with less than 0.006 nitrogen.
If the mixture contains water vapor, this must not be included among the impurities but the ratio of the number of moles of water to the number of moles of carbon dioxide must be at most equal to 1/10
As one deviates from these optimum conditions as regards the duration of the second phase and the purity of the oxy-carbon mixture, a steel is obtained, the nitrogen content of which rises gradually but which, from fact of the process according to the invention, remains, in each case, between fairly close limits.
The precise technical rule which constitutes the procedure will follow @
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the invention can be summarized as follows: compared to a normal conversion, the oxygen content of the blown air is increased during the first phase without this oxygen content b exceeding 40% by volume; during the second phase, a mixture based on oxygen and carbon dioxide less thermogenic than air is blown, the ratio of which m of the number of moles of the endothermically dissociating gases to the number of moles of free oxygen in the mixture before dissociation is at least equal to 1 and the ratio of the number of moles: of water vapor to the number of moles of carbon dioxide is at most equal to 1/10;
the moment when one passes from the first phase to the second phase is deduced from the number A of oxygen moles incorporated in the bath during the first phase and which must satisfy, in the case of an acidic Bessemer conversion, to the relationship :
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and, in the case of a basic Bessemer conversion, to the relation
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relations in which A, m and b have the meanings given above, T is the number of oxygen moles to be incorporated into the metal bath to achieve refining from the start:
operation until the final steel composition is obtained, a is the oxygen content of the gas used in a normal configuration, s, p, f and r are the quantities in grams respectively of silicon, of phosphorus, cold scrap and iron introduced in the form of oxides (of average FeO composition) the charge of which differs from the weight of these same elements in the charge used in normal conversion, these parame- ters possibly being positive, zero or negative depending on whether the amount of silicon, phosphorus, cold scrap or
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of iron oxides contained in the feed are greater than, equal to or less than the quantities of these same elements in the feed treated in normal conversion; end of the second phase is determined by the relation:
N = T - A in which N is the number of oxygen moles incorporated in the bath during the second phase, this number of moles N having to be at least equal to a quarter and, preferably not being less to one third of the total number T of moles of oxygen incorporated in the bath during the complete conversion, when the latter is an acid Bessemer conversion and having to be at least three tenths and, preferably not being less than four ninths of the total number T of oxygen moles incorporated in the bath during the complete conversion, when this is a basic Bessemer conversion.
Preferably, the blowing is carried out during the first phase by means of enriched air, the oxygen content of which is between 25 and 35.
As for the blowing during the second phase, this is advantageously carried out by means of a mixture of which the ratio m is between 1.2 and 2. Even with / last ratio, it is still possible to pass during the second phase a number N of oxygen moles at least equal to three tenths of the total number of oxygen moles incorporated in the bath throughout the duration of a basic Bessemer conversion.
With m ratios between 1.2 and 2, the insufflation nozzles last substantially as long as in the case of normal conversion and one does not have to worry that the bath will be too cold if the execution of the process is a bit different from what it should be.
The mixture which is less thermogenic than air employed in the second phase of the process according to the invention gives rise to a relatively rapid chemical evolution of the bath due to the high
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reactive oxygen content of the mixture. As a result, it is more difficult to observe the evolution of the bath with precision than in the case of blowing with air.
In order to avoid, in industrial operation, the risk of irregularities which may result therefrom, it is proposed to reduce the blown volume per unit of time and per tonne of metal compared to the case of normal conversion and for this it is advantageous to use - ment a converter whose insufflation nozzles have a smaller section than for a normal conversion.
The cross section of the nozzles, their number and the insufflation pressure are coordinated so that the incorporation of oxygen in the bath does not exceed 500 moles per minute and per tonne of metal.
The section of these tuyeres which, in the case of a normal Bessemer acid or basic conversion is respectively worth
12 to 15 cm2 or from 15 to 25 cm2 per tonne of metal contained in the converter, is advantageously included, in a converter for carrying out the process according to the invention, between 6 and 10 cm2 per tonne of metal for an acidic Bessemer conversion and between 10 and 15 cm 2 per tonne of metal for a basic Bessemer conversion.
If one wished to reduce the speed of the chemical evolution of the bath towards the end of the conversion to that which is in normal conversion, it would be necessary to further reduce the passage section of the nozzles, in view of the high content of reactive oxygen of the oxycarbon mixture. Then, the duration of the blowing during the first phase would be much longer than in normal conversion.
To remedy this drawback, it is preferable to choose for the section of the nozzles a value between -. limits indicated above, the duration of the second phase remaining under these conditions long enough for the operator to have time to assess the state of the bath towards the end of the test.
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version and can properly control the precise moment when it should end.
A converter suitable for carrying out the process according to the invention is shown in vertical section in the accompanying drawing.
In this drawing, there is shown a converter 2, the bottom 3 of which is equipped with a certain number of nozzles 4 serving for blowing in the oxidizing gases by means of which the conversion is carried out. The total section of these nozzles is determined as a function of the load to be treated in the converter and is greater, in the case of a converter for basic Bessemer conversion, than in the case of a converter for conversion. Bessemer acid.
In the first of these cases, it is preferably comprised between 10 and 15 square centimeters per ton of metal to be treated and in the second, between 6 and 10 square centimeters per ton. It is furthermore advantageous to use nozzles with a diameter of between 8 and 12 millimeters, instead of nozzles of larger diameter, generally used for normal conversion.
The nozzles 4 are supplied by a pipe 5 in communication with two other pipes 6 and 7. One of the latter serves to supply enriched air and the other to supply the oxycarbon mixture. . Each of them is fitted with a valve 8.
CLAIMS.
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