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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.
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