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PROCEDE DE FABRICATION 'DE FONTE NODULAIRE ET PRODUITS OBTENUS PAR
CE PROCEDE
La présente invention est relative à un procédé de fabrication de
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fonte nodulaire et aux produits obtenus par ce procédé.
Les quelques 200 publications des deux dernières années et les mé- moires descriptifs déposés à l'appui de différentes demandes de brevets ont suffisamment fait connaître les fontes nodulaires.
Nous disons que la fonte nodulaire est une fonte dont la grande majorité du graphite se présente sous forme de sphères plus ou moins parfaites;
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ces particules de graphite sont appelées : nodules5) sphérulesy sphéroîdesq sphé- rolites, etc....
Plusieurs éléments sont capables de forcer la cristallisation sphé-
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rolitique du graphite; nous citerons les suivants : Ce, Mge Li Cap Sra Ba, Na, K, Te. Be9 etc...
Le demandent, a découvert que les effets de ces éléments ou au moins de certains d'entr'eux s'additionnent et a réussi à produire des fontes nodu- laires par i'e't;-comb3.né des éléments Ca, Li, Sr, Ba9 Na, K et lg soit deux à deux, ttoisàà trois, quatre à quatre, cinq à cinq;, six â six ou même par l'effet combiné de ces septs éléments tout en limitant l'intervention du Mg
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à un maximum de 09 02 % de Mg résiduel.
Ces éléments sont reconnus universellement comme éléments.réducteurs et désulfurants et leur solubilité dsns la fonte est extrêmement faible ou peut être même inexistante.
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Additionnés à la fonte ces élémentsréâgissent avec l'oxygène dis- sous ou combinédans les suspensions oxydées, telle la silice, avec le soufre etc... pour former les combinaisons oxydee sufure e 000 insolubles dans la fon- te et précipitant per ascensum aussi longtemps que la fonte est liquidée . Gé- néralement cependant les particules les plus petites n'auront guère le temps
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de s'éliminer de la masse pour se rassembler dans la tête (coaodo dsne la par- tie supérieure de la pièce coulée, éventuellement la masselotte). Ainsi se
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trouve posée la question de l'existence d'une teneur résiduelle d'un de ces élémentso Il importe de définir ce qu'on entend par teneur résiduelle de ces éléments réputés insolubles dans le fer.
Personne n'a jusqu'à présent donné une définition précise de la teneur résiduelle en Ce, en Mg, en Ca etc....mais aucun spécialiste ne consi- dère la quantité de cet élément qui est liée au soufre comme faisant partie de la teneur résiduelleo
Il est de pratique courante de préléver le métal destiné au dosage de la teneur résiduelle d'un de ces éléments dans un endroit de la pièce présen- tant le maximum de garantie quant à la précipitation des sulfures et antres composés de l'élément considérée Dans le cas du Mg on coule par exemple un tronc de cône ayant un diamètre de petite base de 50 à 60 mm, une hauteur de 300 mm et un diamètre de grande base de 100 à 120 mmo Le tronc de cône est disposé verticalement, la grande base en haut. Il importe que la fonte soit suffisamment fluide pour garantir un temps de précipitation suffisait.
Pour le dossage du Mg résiduel par exemple on prélèvera le métal à la base, c.a.d. au maximum à quelque 2 à 4 cm de la section inférieure qui a un diamètre de 50 à 60 mmo On admet généralement que la teneur en Mg ainsi trouvée représen- te ce qu'on appelle le Mg résiduel.
Dans l'état actuel de nos connaissances, cette notion de teneur résiduelle d'un élément tel que Mg, Ca, Li ....est donc assez vague Ceci est encore plus vrai pour les éléments Ca, Li, Ba, Sr, Na et K dont on ne connaît gaZre de méthode précise de dosage pour des proportions de l'ordre de grandeur de quelques millièmes à quelques centièmes de poureenta Il est de fait cependant que, lorsque ces éléments sont additionnés à la fonte, on peut en retrouver des traces dans cette fonte par l'analyse spectrale qua- litative. Les méthodes d'analyse quantitative actuellement connues ne permet- tant pas de déterminations précises de la teneur résiduelle de ces éléments dans la fonte traitée en vue de l'obtention de graphite nodulaire.
La présente invention se rapporte à une méthode de fabrication de fnntes nodulaires par l'effet combiné de 2 à 7 éléments précités. A une fonte à faible teneur en S (de préférence même un soufre inférieur à 0,02 %), on additionnera, suivant l'invention, de 0,05 % à 2 % d'une somme de 2 à 7 de ces éléments, sous forme d'éléments ou d'alliages, mais de préférence sous forme d'un alliage renfermant les éléments en question, et en ayant soin de limiter l'addition de l'élément Mg de façon à ne pas dépasser un Mg résiduel, détermi- né comme exposé ci-dessus, de 0,020 %.
A l'analyse spectrale qualitative on retrouvera des traces de cha- cun des éléments additionnés.
L'avantage de la limitation du Mg résiduel réside principalement dans la possibilité de se passer de l'inoculation secondaire tout en obtenant une fonte nodulaire grise.
Dans le même but il est intéressant de limiter également le Li.
Les autres éléments ne semblent pas stabiliser les carbures ou tout au moins ne les stabilisent pas dans la même mesure.
L'inventeur a reconnu qu'il était désirable sinon nécessaire de partir d'une fonte fluide à très faible teneur en soufre.
Dans le cas des modes opératoires I et 2, décrits ci-après, et qui possèdent le grand avantage de ne pas nécessiter d'inoculation secondaire, le soufre de la fonte fluide à traiter sera de préférence inférieur à 0,02 %; le traitement de nodulation éliminera d'ailleurs une partie du soufre et la teneur de cet élément dans la fonte nodulaire obtenue sera généralement inférieure à 0,015 %.
Dans le cas du mode opératoire n 3 la fonte liquide à traiter pour- ra éventuellement .accuser une teneur en soufre supérieure et l'obtention du résultat visé, c.a.d. le graphite nodulaire, reste parfaitement possible moyen- nant des additions plus importantes d'alliages plus riches en Li éventuellement en Mg; dans ce cas il devient difficile de contrôler ou de limiter le Li rési- duel et il s'en suit que, pour obtenir la fonte nodulaire grise, l'inoculation
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secondaire ou Si redevient nécessaire.
Il est donc important de disposer d'une fonte fluide à basse teneur en S et de préférence aussi basse qu'il est possible de la réalisero A cet effet il est conseillé d'élaborer la fonte au cubilot basique avec un laitier basique et autant que possible réducteur donc désulfurant; le laitier basique s'obtient par addition suffisante de fondants basiques et son caractère réduc- teur peut être obtenu ou renforcé en mélangeant par exemple du carbure de cal- cium aux cokes.
Il est actuellement démontré que par ce mode opératoire on peut
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obtenir une fonte titrant à la piquée du cubilot moins de 001 % de So
On peut évidemment opérer la désulfuration par une des nombreuses méthodes classiques faisant usage soit de laitiers de composés (la soude) ou
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d'éléments (Mg, Liooo) désuifurantso
En dehors du soufre il n'y a guère de limitations rigoureuses dans la teneur des autres éléments habituels de la fonte; il est avantageux cepen-
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dent, surtout en vue de bonnes propriétés mécaniques,j1 de limiter la teneur en phosphore à 0 z3 % maxomum étant donné que l'allongement sera d'autant plus éle- vé que le phosphore est plus bas; de préférence on réalisera un phosphore infé-
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rieur à 0,1 %.
Le carbone sera généralement compris entre 2 et 4,5 %, le silicium
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entre 0 ,et 4 , le manganèse entre 0 et 1,2 %0
Dans la plupart des cas d'application on soumettra au traitement de nodulation qui sera décrit plus loin une fonte dont la composition sera com- prise entre les limites suivantes :
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C = 2e8 à 4e2 % Si. - 0,5 à 2 %
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Mn = 0:,>1 à l % P = 0 à 0,2 % S = 0 à 0,02%
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A l'exception de la teneur en S aucun des autres éléments courant n'est critique.
Il est d'autre part évident-que la fonte peut-éventuellement être alliée.
La présente invention comprend un grand nombre de modes d'applica- tion possibles, en faite autant qu'il y a de combinaisons de 7 éléments pris
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2 à 2, 3 à 39 4 à 4, 5 à 59 6 à 6, en y ajoutant la combinaison des sept ensem- ble.
Il est évident cependant que certaines combinaisons sont plus avan- tageuses soit parce que donnant de meilleurs résultats techniques,!) soit parce que plus économiques, soit parce que les deux avantages se trouvent réuniso
Ainsi l'on décrira trois modes opératoires qui peuvent actuellement être considérés comme étant des plus avantageux.
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Il est établi (voir notamment Solo De Sy : I) inoculation et gra- phite des fontes grises" Mémoire Belge d'échange au Congrès de Paris (9 Octobre 1948) publié dans "fonderie" n 37s anvier 1949, 2) "Quelques résultats de recherches belges sur les fontes nodulaires" preprint n 20 au congrès inter- national de fonderie à Amsterdam,j1 Août-Sept 1949s 3) "La contribution Belge dans l'étude des fontes nodulaires" Revue Universelle des Mines, Août 1950), que l'addition de calcium en quantité suffisante à une fonte fluide pauvre en
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soufre et à température normale (1300 à 1500oC) permet l'obtention du graphite sphérolitiqueo
L'addition de Ca (sous forme de siliciure) à la fonte fluide est appliquée depuis quelque 25 ans dans les fontes que l'on appelle souvent "Mee- hanite";
à composition égale ces fontes ont une résistance plus élevée parce que, grâce au traitement par le Cas le graphite est rendu plus compact et pré- sente par conséquent un effet d'entaille moindre
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Il est extrêmement difficile cependant d'atteindre, par l'addition de siliciure de calcium, le degré de compacité du graphite correspondant à une fonte à caractère nodulaire, c.à.d. présentant des phérolites de graphite et du graphite compact.
Au contraire si l'on fait usage d'un alliage ternaire Ca-Si-Cu ou Ca-Si-Ni par exemple,, ou quaternaire Ca-Si-Cu-Ni par exemple en incorporant un ou deux des éléments véhiculants Cu et Ni, on peut obtenir systématiquement une fonte nodulaire en traitant une fonte à basse teneur en soufre avec une quantité suffisante, généralement 3 à 4 %, de l'alliage de nodulation.
Comme alliage de nodulation on choisira avantageusement un alliage dont les limites de composition sont :
Ca= 10 à 40 %
Si = 30 à 80 %
Cu = 0 à 40 % Ni = 0 à 30 %
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats : Ca Si Cu Ni 1 24 56 20 --
2 26 59 -- 15
3 20 46 20 14
Comme exemple concret d'un résultat citons le cas d'une fonte à 0,017% de S traitée avec 4 % de l'alliage n 1 et ayant donné lieu à l'obten- tion de la structure nodulaire avec 54 kg/mm2 comme résistance à la traction et 5 % d'allongement brut de coulée sans inoculation secondaire ; le soufre final était de 0,012 %.
La production de fonte nodulaire par le traitement au Mg est suf- fisamment connue actuellement pour qu'il ne soit pas nécessaire de la décrire ici.
Suivant un premier mode opératoire préféré de l'invention, on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Mg en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois les éléments Ca et Mg, ce dernier étant limité à une quantité garantissant un Mg résiduel inférieur à 0, 02 %.
Par rapport au traitement par le Ca seul, le traitement combiné au Ca-Mg présente le grand avantage de donner le résultat cherché coàodo la fonte nodulaire., pour une addition d'alliage sensiblement deux fois moindre, coàodo dans le cas de l'exemple concret ci-dessus 1,5 à 2 % au lieu de 3 à 4 %.4 Comme les alliages préconisés pour le traitement au Ca seul d'une part et pour le traitement au Ca-Mg d'autre part sont d'un prix de revient pratiquement i- dentique, il en résulte tout d'abord un avantage économique que l'on peut éva- luer actuellement à 600 à 800 francs la tonne de fonte traitée.
D'antre part si on considère l'effet de refroidissement de la fonte résultant d'une addition aussi massive que 3 à 4 % et la repercussion de cet effet sur la coulabilité et finalement sur les rebuts, on se rend compte aisément que l'avantage de la plus faible addition est plus important encore que l'économie directe évaluée ci-dessus.
Par rapport au traitement par le Mg seul le traitement au Ca-Mg présente les avantages suivants :
I ) pas d'inoculation secondaire;
2 ) aucun effet violent comme dans le cas du Mg seul,
3 ) les alliages sont plus économiques.
On peut conclure en disant que la méthode du traitement combiné et principalement celle au Ca-Mg présente des avantages qui justifieront son application dans certains cas en rapport avec l'effet final visé, caàodo les propriétés de la fonte produite.
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Suivant ce premier mode opératoire le traitement de nodulation con- siste en l'addition à la fonte liquide d'un alliage contenant le Ca et le Mgo Il est conseillé de faire usage d'un alliage ternaire, quaternaire au quinte-
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naire des éléments Cal) Nige Si, Cu et Ni contenant de préférence au moins un des véhiculants lourds Cu et Ni et dont les limites de composition sont les sui- ventes : Ca - 5 à 40 %
Si = 30à 80 %
Cu = 0 à 40 %
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Ni - 0 à 30 %
Mg = I à 10 %
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats :
Ca Si Mg Cu Ni
1 33 64 3 -- -
2 24 54 2 20
3 26 57 2,5 -- 14,5
4 22 51 2 15 10
5 26 57 2 15 -
La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte, principalement de la teneur en S et en Si., et du but poursuivi : l'obtention d'une matrice ferritique ou à prédominance de ferrite 'ou de perlite avec graphite nodulaire ou éventuellement même la variété intermédiaire dési-
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gnée généralement par un des noms i quasi-flakes compact, vermiculaire., etc..,,
Cette dernière variété peut être obtenue systématiquement en fai- sant des additions insuffisantes pour forcer la cristallisation sphérolitique du graphite;
il y correspond un S final généralement un peu supérieur à celui qu'on trouve dans a fonte franchement nodulaire coàodo donc à prédominance de graphite sphérolitique.
L'avantage principal de l'effet combiné du Ca et du Mg avec limi- tation du Mg consiste en l'obtention de la fonte grise de coulée sans inocula- tion secondaire; celle-ci peut cependant être appliquée si on désire une fonte
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plus douce coaodo plus ferritique
Ainsi donc d'après la composition de la fonte et le but que l'on s'est fixé au point de vue nuance de la fonte produite, on fera des additions
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de 0,2 % à 5 % d'un des alliages de la série précitéeo
Dans beaucoup de cas I à 2 % de l'alliage de nodulation sera lar- gement suffisante
Comme exemples citons les compositions et les propriétés de deux
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fontes nodulaires obtenues par addition de I % de l'alliage n 2 ci-dessus :
CJ cg Si% Mn% S% Cu% Mg% Cs% R t au a) 3,76 3,39 . 1,93 0,19 0,013 0,2 0,011 présent 49 9 b) 3,07 2,59 2,41 0,40 0,009 0,22 0,018 fi 56 4 Suivant un second mode opératoire préféré de l'invention on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Li en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois les éléments Ca et Li, ce dernier étant limité en quantité additionnée de façon à obtenir la struc- ture grise de solidification sans recourir à l'inoculation secondaire.
Le traitement de nodulation consiste en l'addition à la fonte li- quide de l'alliage contenant à la fois les éléments Ca et Li. Il est conseillé de faire usage d'un alliage ternaire, quaternaire ou quintenaire des éléments
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Cay Li, Sig Cu et Ni contenant de préférence au moins un des véhiculants lourds Cu et Ni et dont les limites de compositions sont les suivantes :
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Ca - 5 à 40% Li = 2 à 10%
Si = 30 à 80 %
Cu = 0 à 40% Ni = 0 à 30%
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats :
Ca Si Li Cu Ni
1 22 50 5 23 --
2 24 53 5 18
3 20 46 4 . 15 15
La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte, principalement de la teneur en S et en Si, et du but poursuivi :
obtention d'une matrice ferritique ou à prédominance de ferrite ou de perlite avec graphite nodulaire ou éventuellement même la variété intermédiaire dési- gnée généralement par un des noms : quasi-flake, compact, vermiculaire, etc...
Cette dernière variété peut être obtenue systématiquement en faisant des additions insuffisantes pour forcer la cristallisation sphérolitique du graphite; il y correspond un S final généralement un peu supérieur à celui qu'on trouve dans la fonte franchement nodulaire, coàado donc à prédominance de gra- phite sphérolitiqueo
L'avantage principal de l'effet combiné du Ca et du Li avec limi- tation du Li consiste en l'obtention de la fonte grise de coulée sans inocula- tion secondaire ; celle-ci peut cependant !.être appliquée si on désire obtenir une fonte plus douce, c:à.d. plud ferritique.
.ainsi donc d'après la composition de la fonte et le but que l'on s'est fixé au point de vue nuance de la fonte produite, on fera des additions de 0,2 % à 5 % d'un des alliages de la série précitéeo
Comme exemples citons les compositions et les propriétés de deux fontes nodulaires obtenues par l'addition de 2 % de l'alliage n 1 :
Ct% Si% S% Cu% Ca% Li% Rtkg/mm2 A% a) 4,26 1,93 0,011 0,45 présent présent 42 4,2 b) 3,35 2,40 0,012 0,49 " " 57 1,3
Suivant un troisième mode opératoire préféré de l'invention on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Li ou Ca, Li et Mg en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois le Ca et le Li ou le ca, le Li et le Mg, ce dernier, c.à.d.le Mg, étant limité à une teneur résiduelle de 0,02 % au maximum, le Li n'étant pas limité.
Comme le Li est un stabilisateur de carbures assez puissant, il pourra advenir, spécialement dans le cas du traitement de fonte fluide à teneur en S sensiblement supérieure à 0,025 5, que la quantité d'alliage à additionner en vue de l'obtention de la fonte nodulaire sera telle qu'il en résultera un Li résiduel incorporé tel qu'on obtiendra une structure blanche ou truitée à la solidification; lorsqu'on désire une structure grise de solidification on sera donc amené parfois à pratiquer l'inoculation secondaire au Si.
S'il est vrai que, par rapport aux modes opératoires I et 2 à li- mitation du Mg et du Li, le mode opératoire n 3 sans limitation du Li présente, surtout dans le cas du traitement d'une fonte à S sensiblement supérieur à 0,02%, par exemple 0, 03 à 0, 05 %, l'inconvénient de nécessiter l'inoculation secondaire en vue de l'obtention de la structure grise de solidification, le mode opéra- toire n 3 présente par contre, par rapport aux modes opératoires n 1 et 2, l'avantage de mieux convenir pour le traitement des fontes à soufre sensible- ment supérieur à 0,02 %.
Le traitement de nodulation dans le mode opératoire n 3 consiste en l'addition à la fonte liquide d'un alliage contenant à la fois le Ca et le Li ou le Ca, le Li et le Mgo
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Il est conseillé de faire usage d'un alliage contenant outre les éléments d'influence Ca et Li ou Ca, Li et Mg, un, deux ou trois des véhiculants, Si, Cu et Ni.
Les limites de composition des alliages seront les suivants :
Ca = 5 à 40 %
Li = 3 à 30% Mg = 0 à 10 % Si = 30 à 80%
Cu = 0 à 40 % Ni = 0 à 30 %
A titre d'exemples non limitatifs, voici quelques alliages ayant donné de bons résultats :
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<tb> Ca <SEP> Li <SEP> Mg <SEP> Si <SEP> Cu <SEP> Ni
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> -- <SEP> 20
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<tb>
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<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 10-- <SEP> 49 <SEP> 20
<tb>
<tb>
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<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> 20 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 40 <SEP> 12 <SEP> 13
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 22 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 51 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> -- <SEP> 44 <SEP> 5 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 7 <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 4 <SEP> 48 <SEP> 13
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La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte fluide et principalement de la teneur en S;
suivant la composition de la fonte fluide d'une part et de l'alliage de nodulation d'autre part on fera une addition de 0,3 à 5 % d'un des alliages précitéso
Comme exemples concrets citons les résultats de trois traitements différents appliqués à une même fonte de base titrant :
Ct = 3,30%
SI 1,20 % Mn = 0,30%
P = 0,07 %
S = 0,033% Traitement a) : addition de 1,8 % de l'alliage n 3. éprouvette coulée après ce traitement = truitée inoculation secondaire :0,4% de Si; éprouvette coulée après inoculation secondaire : grise structure obtenue : graphite sphérolitique et graphite compact ou vermiculaire Composition finale :
Ct = 3,32%
Si = 2,405 Mn - 0,29 %
P - 0,07%
S = 0,022 %
Mg 0,009% Ca - présent.
Li = présent Propriétés :
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charge de Jpture Rt 39 kg/mm2 allongement 1% = 096 % dureté Brinell A 17Ù ô .
, Traitement b) : addition de 2,25 % de l'alliage n 30 éprouvette coulée après ce traitement = truitée inoculation secondaire : 0,4% de Si. éprouvette codée après inoculation secondaire :grise.
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Structure obtenue : graphite sphérolitique, c.à.d. donc fonte nodulaire propre- ment dite.
Composition finale :
Ct = 3,26 %
Si = 2,49 %
Mn = 0,29%
P = 0,07 %
S = 0,016%
Mg = 0,012%
Ca= présent
Li = présent Propriétés :
Et = 52 kg/mm2
A% = 2,2 %
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Dureté Brinell û = 214 Traitement c) : addition de 3 % de l'alliage n 3 éprouvette coulée après èe traitement : truitée. inoculation secondaire = 0,4 % de Si. éprouvette coulée après inoculation secondaire : grise.
Structure obtenue : graphite sphérolitique, coàodo donc fonte nodulaire propre- ment dite.
Composition finale : ct = 3,16%
Si = 2,59 % Mn = 0,29%
P = 0,07%
S = 0,014 %
Mg = 0,019 %
Ca= présent.
Li = présenta Propriétés : Rt = 56 kg/mm2
A% = 2.
Dureté Brinell #= 2370
Il est bien entendu que dans les mélanges dont il est question dans la présente description et dans les revendications subséquentes, les proportions en pourcentages sont évaluées en poids.,
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication de fonte nodulaire, caractérisé en ce qu'on ajoute à la fonte liquide au moins deux éléments quelconques d'une série d'éléments comprenant le calcium le lithium, le strontium, le baryum, le so- dium, le potassium.
2. Procédé de fabrication de fonte nodulaire, caractérisé en ce qu'on ajoute à la fonte du magnésium et au moins l'un quelconque des éléments d'une série comprenant le calcium, le lithium, le strontium, le baryum, le so- dium et le potassium, la quantité de magnésium étant réglée pour que la teneur de la fonte coulée en magnésium résiduel, mesurée comme décrit ci avant, reste inférieure à 0,02%.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.