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"PROCEDE ET INSTALLATION POUR L'ELABORATION DE L'ACIER".
La présente invention est relative à un procédé d'élabo- ration 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 soufflage au moyen d'un mélange à base d'oxygène et d'au moins un gaz à dissociation endothermique.
Dans la demande de brevet principal déposée le 10 novem- bre 1948 sous le numéro 377.785 et dans la demande de brevet de perfectionnement déposée le 13 novembre 1948 sous le numéro 377.833, il est question d'un boni calorifique à créer par rap- port à une conversion normale pour compenser un mali calorifi- que résultant de l'emploi d'un mélange à base d'oxygène et d'an- hydride carbonique, moins thermogène que l'air, au lieu de l'air employé dans une conversion normale.
La présente demande de brevet a notamment comme objet de préciser, pour autant que de besoin, comment on peut déterminer
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la valeur des paramètres sur lesquels on peut agir pour compen- 'ser le boni et le mali calorifique de façon que la température optimum du bain soit atteinte au moment où la composition fina- le désirée est obtenue et cela, sans que les tuyères de souffla- ge se détruisent rapidement et sans avoir à modifier, en cours de soufflage, le rapport entre le nombre de môles des gaz à dis- sociation endothermique et le nombre de môles d'oxygène libre dans le mélange avant dissociation.
Rappelons que dans le procédé suivant l'invention, le souf- flage pendant la deuxième phase est effectué au moyen d'un mélan ge à base d'oxygène et d'anhydride carbonique 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. Rappelons également que, à iden- tité de constitution de la charge, l'insufflation de ce mélange, au lieu de l'air qui serait utilisé en conversion normale, don- nerait normalement lieu à un mali calorifique.
Rappelons enfin que par "conversion normale", il faut com- prendre une conversion réalisée suivant la pratique courante de l'aciérie où le procédé suivant l'invention va être appliqué, au moyen d'air de concentration a en oxygène et à partir d'une charge normale dont les caractéristiques physiques et chimiques sont réglées de telle manière qu'au moment même où le bain at- teint la composition chimique finale désirée, il se trouve por- té à la température optimum de coulée.
Désignons par [Si] n' [P]n' [Mn]n' [C]n' fn' rn et kn les teneurs, exprimées en grammes par tonne de fonte enfournée, d'un charge normale pour conversion normale, respectivement en sili- cium, en phosphore, en manganèse, en carbone, en mitrailles froides, en fer à l'état d'oxydes de fer (de composition moyen- ne Fe 0 ) et en chaux. Ces teneurs tiennent compte des quanti- tés de ces substances qui sont introduites dans la charge aussi bien pendant la réalisation de la conversion qu'avant le commen
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cernent de celle-ci. Désignons par tn la température d'enfournement de la fonte (exprimée en degrés centigrades) et suppo- sons que les mitrailles froides, les oxydes de fer et la chaux se trouvent à la température ambiante au moment où on les enfour
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ne.
Les paramètres [Si] n' [p]n,[I1r:9 n' [clin$ f n' rn' kn et tn définissent les caractéristiques chimiques et physiques de la charge normale.
Désignons par [C] f et [P]f les teneurs respectivement en carbone- et en phosphore, exprimées en grammes par tonne de mé- tal, que le bain contient en fin de conversion normale. Appe- lons tf la température optimum de coulée, laquelle est atteinte en conversion normale au moment où le bain atteint sa composi- tion finale désirée, cette température étant exprimée en degrés centigrades.
Dans les deux demandes de brevet susdites, il a été indiqué qu'un boni calorifique peut être créé par une modification des caractéristiques chimiques et physiques de la charge et/ou par une augmentation de la teneur en oxygène de l'air soufflé pen- dant la première phase.
Désignons par [Si]., [P]m, [Mn] m' [C]m, fm' rm et km les teneurs, exprimées en grammes par tonne de fonte, d'une charge de composition modifiée pour la conversion par le procédé sui- en manganèse, en carbone vant l'invention, respectivement en silicium, en phosphore, /en mitrailles froides, en fer à l'état d'oxydes de fer (de composi tion moyenne Fe 0 ) et en chaux. Désignons par tm la tempéra- ture d'enfournement de la fonte pour cette conversion par le procédé suivant l'invention, cette température étant exprimée en degrés centigrades.
Désignons par b la concentration en oxygène de l'air in- sufflé dans le bain avant soufflage au moyen du mélange oxycar- bonique d'indice m dont il a été question ci-avant.
Désignons, comme dans les deux demandes de brevet susdites, par A le nombre de môles d'oxygène incorporées au bain, par ton
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ne de fonte de celui-ci, pendant la première phase et par T le nombre de môles d'oxygène nécessaire à l'affinage d'une tonne de fonte depuis le début de la conversion jusqu'à l'obtention de la composition finale du bain.
Dans ce nombre T, il faut comprendre les môles d'oxygène nécessaires à la scorification d'une certaine quantité de fer.
En pratique, on admettra que pour toutes les conversions envi- sagées, c'est-à-dire aussi bien pour la conversion suivant l'in- vention que pour la conversion normale de référence, la quanti- té de fer scorifiée par tonne de fonte de la charge reste la même, de sorte qu'on n'a pas à tenir autrement compte de cette scorification, pour la comparaison des bilans calorifiques.
T doit comprendre également les môles d'oxygène qui sont absorbées par la combustion du manganèse et du carbone. Dans les calculs des bilans calorifiques, et conformément à la coutu- me, on n'explicitera pas l'effet thermogène de l'oxydation de ces éléments.
Désignons par s, p, f, r et k les poids, exprimés en gram- dans mes par tonne de fonte la charge, respectivement de silicium, de phosphore, de mitrailles froides, de fer sous forme d'oxydes de fer (de composition moyenne Fe203) et de chaux dont la charge modifiée diffère par rapport aux poids de ces mêmes éléments, par tonne de fonte, dans la charge utilisée en conversion norma-
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le. On a donc [Si] m - [Si] n = s, [P]m - [P]n = p, fm - fn = f, rm - rn = r, km - kn = k.
Si, pendant la première phase d'une conversion hypothéti- que, on utilisait de l'air de concentration b pour traiter une charge de caractéristiques différentes de celle d'une charge normale pour conversion normale à l'air de concentration a en oxygène et si, pendant la deuxième phase de cette conversion hypothétique, on utilisait le même air que dans la conversion normale, on réaliserait, par rapport à l'ensemble de la conver- sion normale, un boni calorifique qui,, par tonne de fonte, se-
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algébrique rait la somrae/des quantités de chaleur suivantes exprimées en calories :
1 - une quantité d'environ + 10,5 (1/a - 1/b) A calories prove- nant de la substitution, pour fournir au bain A môles d'oxygène par tonne de fonte, d'air de concentration b à l'air de concen- tration a.
2 - une quantité d'environ + 5,5 s calories, provenant de l'augmentation s de la teneur en silicium.
3 - une quantité d'environ + 3,5 p calories provenant, dans le cas d'une conversion Bessemer basique, de l'augmentation p de la teneur en phosphore.
4 - une quantité d'environ - 0,32 f calories provenant de l'absorption de chaleur par l'augmentation f du poids de mi- trailles.
5 - une quantité d'environ - 1,75 r calories provenant de l'augmentation r du poids de fer incorporé sous forme d'oxydes de fer de composition moyenne Fe203. k
6 - une quantité d'environ - 0,5 calories provenant, dans le cas d'une conversion Bessemer basique, de l'augmentation k du poids de chaux.
7 - une quantité d'environ + 150 (tm- tn) calories prove- nant de la modification de la température d'enfournement de la fonte.
Les paramètres s, p, f, r et k peuvent être positifs, nuls ou négatifs, suivant que les quantités de silicium, de phosphore de mitrailles froides, d'oxydes de fer ou de chaux, que confiera la charge traitée suivant l'invention sont supérieures, égales ou inférieures aux quantités de ces mêmes éléments dans la char ge qui serait utilisée pour une conversion normale par l'air de concentration a en oxygène.
Le mali calorifique résultant de la substitution, pendant la deuxième phase de la conversion suivant l'invention, d'un mé lange à base d'oxygène et d'anhydride carbonique, à de l'air de
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concentration a qui serait utilisé dans la deuxième partie de la conversion normale de référence est, pour les T-A môles d'o- xygène, incorporées au bain métallique pendant la deuxième pha- se et par tonne de fonte, d'environ :
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" ) ( 25 139 x 36 m- - 12 calories.
(T-A) (25 + 139 x + 36 m/2 + x - 12/a) calories.
Dans cette expression, x désigne, pour m môles d'anhydride carbonique (et éventuellement d'eau) associées, dans le mélan- ge, à une môle d'oxygène libre, le nombre de ces môles d'anhy- dride carbonique (et éventuellement d'eau) qui sont dissociées au contact du bain.
La valeur du rapport dépend de nombreux facteurs et peut varier au cours de la conversion. La valeur moyenne, pour l'en- semble d'une conversion, du coefficient de dissociation x peut être déterminée expérimentalement. A cet effet, on choisit pour x, une valeur X quelconque (de préférence, plus grande que la valeur probable réelle, x, correspondant aux conditions de tra- vail envisagées). On introduit cette valeur X dans l'expression par la méthode indiquée ci-après et donnant la chaleur d'échauffement par mole et on en déduit,/eu égard à cette valeur particulière X du coefficient de dissocia- tion, la valeur des corrections à apporter à la constitution d'une charge normale pour conversion à l'air, en vue de réali- ser la conversion correcte par soufflage mixte de la charge ain- si modifiée.
On effectue alors la conversion exactement dans les condi- tions pour lesquelles on désire connaître la valeur moyenne réel le du coefficient de dissociation. Au moment où le bain métal- lique atteint la composition désirée, on arrête le soufflage et on mesure la température du bain. Si on appelle t l'excès, en degrés centigrades, de la température ainsi mesurée sur la tempe rature optimum tf à réaliser en conversion normale (t est posi- tif si la température mesurée est supérieure à la température optimum souhaitée et négatif dans le cas contraire), on trouve pour les conditions de travail envisagées, la valeur moyenne réelle x du coefficient de dissociation/en
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résolvant l'équation :
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La condition à satisfaire pour que, dans le procédé par soufflage mixte suivant l'invention, à identité de composition finale du bain, celui-ci atteigne une température au moins égale à celle réalisée dans la conversion normale de référence, est que
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Pour que la valeur T-A déduite de cette relation soit ac- ceptable, il faut, en outre, que, dans le cas d'une conversion Bessemer acide, elle réponde à la condition T-A # A/3 et, de pré- férence, T-A # A/2 et, dans le cas d'une conversion Bessemer basi- que, elle réponde à la condition T-A 3 A/7 et, de préférence, T-A 4 A/5. Dans les deux demandes antérieures, il a déjà été indiqué que ces conditions sont nécessaires pour obtenir une dénitruration sensible du bain.
De l'ensemble de ces relations, on peut déduire les va- leurs à donner aux paramètres b, s, p, f, r, k et t , pour réa- liser, à coup sûr, la température optimum de coulée au moment où on atteint la composition finale désirée pour le bain et cela sans que les tuyères de soufflage se détruisent rapidement et sans avoir à modifier m en cours de soufflage.
Une variante avantageuse du procédé suivant l'invention con siste dans l'élaboration d'acier à partir de fontes plus riches en silicium que les fontes normalement utilisées dans les conver sions Bessemer basiques.
On sait que dans les aciéries Thomas (Bessemer basique), la bonne pratique consiste à utiliser des fontes à teneur en si- licium aussi faible que possible et, de préférence, au maximum de 0,4 %. Si les fontes venant du haut-fourneau ont une teneur plus élevée en silicium, il est devenu de pratique courante d'a- baisser, avant conversion, la teneur en silicium de la fonte par
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un traitement préliminaire tel que le traitement de la fonte par une addition oxydante (par exemple, traitement de désulfura- tion par un composé de soude) ou par un court soufflage à l'air ou à l'oxygène, avant versement dans le mélangeur qui alimente le convertisseur.
Suivant l'invention, dans le cas d'une conversion durant la seconde phase de laquelle on insuffle un mélange O2 + m CO2, d'indice m#1, au lieu de réduire la teneur en silicium de la fonte, on la fixe à une valeur supérieure à celle adoptée cou- ramment pour la conversion normale à l'air atmosphérique, la va- leur adoptée étant au moins égale à 0,5 %.
Dans cette variante, le rapport m est compris entre 1 et 2 et est, de préférence, voisin de 1,2.
Il est bien entendu que la teneur minimum en silicium de 0,5 % du poids de fonte contenue dans la charge s'applique non seulement au silicium que la fonte contient initialement en ve- nant du haut-fourneau ou du mélangeur mais également au silicium ajouté à un stade quelconque de l'opération, soit avant, soit après l'enfournement.
La teneur en azote du bain métallique à la fin de la con- version dépend notamment du moment précis où on passe du souf- flage à l'air, enrichi ou non, au soufflage par le mélange oxy- carbonique pauvre en azote.
Si on veut obtenir une teneur en azote au maximum égale à 0,005 %, on doit passer au soufflage oxycarbonique avant que la teneur en carbone du bain soit tombée à 1 %.
Si on veut obtenir une teneur en azote au maximum égale à 0,004 %; on doit passer au soufflage oxycarbonique avant que la teneur en carbone du bain soit tombée à 2 %. Si on veut ob- tenir une teneur finale en azote inférieure à 0,003 %, il faut, en outre, que la teneur en azote du mélange oxycarbonique ne dé- passe pas 3 le, de la teneur en anhydride carbonique, tout au moins à la fin de l'opération de conversion. En particulier,
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dans le cas d'une fonte phosphoreuse, on doit alors employer ce mélange tout au moins pendant toute la phase de déphosphoration.
On évite ainsi que la teneur en azote du bain qui aurait été amenée à une faible valeur lors du soufflage au moyen du mélange oxycarbonique pendant que le bain contenait encore une assez forte proportion de carbone puisse remonter à une valeur plus forte après la phase de décarburation.
Lorsqu'on termine l'opération de conversion au moyen d'un mélange oxycarbonique dont la teneur en azote est très faible, par exemple, au maximum égale à 3 % de la teneur en anhydride carbonique, il n'est pas indispensable d'utiliser un mélange oxy carbonique aussi pauvre en azote pendant la première partie de la deuxième phase du procédé de conversion suivant l'invention, pour obtenir finalement un acier d'une teneur en azote inférieu- re à 0,003 %. On peut, par exemple, utiliser pendant la pério- de de décarburation active du bain, c'est-à-dire celle pendant laquelle la teneur en carbone est encore au moins de 0,3 %, un mélange oxycarbonique dont la teneur en azote peut aller jus- qu'à 10 % de la teneur en anhydride carbonique.
Il est à remarquer que dans ce cas, la réduction de la te- neur en azote du mélange oxycarbonique en fin de conversion est obtenue par substitution d'un mélange à un autre, ce qu'on réali se par l'ouverture d'une vanne laissant passer le mélange le plus pauvre en azote et fermeture de la vanne qui laissait pas- ser le mélange moins pauvre en azote utilisé pendant la première partie du soufflage oxycarbonique. Cette façon d'opérer n'a donc rien de commun avec la variation de la teneur en oxygène du mélange oxycarbonique pendant le soufflage oxycarbonique par variation de la section de l'orifice laissant passer l'oxygène ou de celui laissant passer l'anhydride carbonique, variation que le demandeur avait crû antérieurement être apte à contrôler la conversion en cours.