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La présente invention se rapporte à un procédé d'élimination rapide du soufre et du silicium de la fonte brute.
Bien que le soufre puisse être éliminé dans une certaine me- sure dans tout procédé basique de fabrication de l'acier, les condi- tions spéciales nécessaires pour éliminer efficacement cet élément diffèrent généralement des conditions applicables à l'élimination de certains., autres métalloïdes et en particulier du phosphore et du sili- cium. On a jusqu'ici résolu les problèmes posés par une double scorifi- cation dans le cas des aciers alliés; dans le cas des aciers ordinai- res, la seule solution pratique a consisté en un réglage strict des opé- rations du haut-fourneau pour obtenir une fonte brute à basse teneur en soufre. Ces deux moyens sont coûteux.
Plus récemment, la pénurie croissante de minerais de fer de très bonne qualité a augmenté la difficulté de maintenir des taux élevés de production sans nuire à la qualité du fer, particulièrement en ce qui concerne sa teneur en soufre et en silicium. Ceci a encore compliqué la production économique de l'acier en nécessitant dans les opérations au four Martin de plus lourdes charges de minerai et de calcaire, ce qui augmente le laitier et les besoins en chaleur et diminue le rendement en acier.
La présente invention se,propose donc de fournir un procédé économique et rapide de réduction, extérieurement au haut-fourneau, de la teneur en soufre et en silicium de la fonte brute de manière à obtenir unfer plus facile à traiter par les procédés actuels de fabrication de l'acier.
Ces buts, et d'autres, apparaîtront de la description qui suit.
La littérature technique concernant le soufre dans le fer et l'acier montre que l'élimination effective du soufre exige: 1) - un milieu neutre ou réducteur à l'égard du fer; 2) - un laitier fortement basique, c'est-à-dire ayant un rapport des oxydes basiques aux oxydes acides d'au moins 2/1 pour garder'le soufre ; 3) - un transfert faible ou nul du silicium du métal,en silice dans le laitier. Ces préceptes ont été la base de toutes les opérations pratiques proposées jusqu'ici pour éliminer cet élément. Ils comportent certains inconvé- nients économiques, tels la nécessité d'un laitier fortement basique qui aboutit à l'absorption de grandes quantités d'oxyde de fer et donc à des pertes importantes de fer et la grande quantité de chaleur nécessaire à la fusion d'un laitier calcaire.
Ces facteurs étaient considérés comme des maux nécessaires à l'élimination efficace du soufre.
On notera également que les principes actuellement acceptés s'opposent à une élimination simultanée du soufre et du silicium.
Le procédé usuel d'affinage du'fer a principalement pour objet de se rapprocher des relations d'équilibre entre le carbone et l'oxygène présents dans le fer et dans ces conditions les conceptions ci-dessus indiquées sont indubitablement exactes. Toutefois, la fugacité du soufre dans le fer est maximum quand le fer est sensiblement saturé de carbone. Le présent procédé vise à sauvegarder cette condition, c'est-à-dire à établir et à entretenir des conditions permettant l'élimination du soufre et du silicium sans diminuer sensiblement la teneur en carbone du fer.
Ceci est extrêmement important pour tirer parti au maximum de l'invention; les fontes contenant 3,75% de carbone et plus sont particulièrement justifiables de ce traitement dont l'efficacité diminue nettement quand la teneur en carbone descend
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au-dessous de 3% environ. Heureusement toutes les fontes de hautsfourneaux contiennent normalement entre 3 et 4,5% de carbone de sorte qu'il serait tout-à-fait exceptionnel d'avoir à régler au préalable la teneur en carbone, à supposer même que le cas se produise.
En bref, le procédé consiste à traiter une charge de fonte brute en fusion d'une teneur particulière en carbone, en manganèse et en silicium au moyen d'air et d'un laitier fondu neutre, l'air étant introduit dans des conditions rigoureusement déterminées permettant d'éviter une oxydation appréciable du carboneo Il est nécessaire que les durées de traitement soient très courtes pour réduire au minimum les pertes de chaleur, la chaleur disponible étant limitée à celle qui est fournie par l'oxydation du silicium et du manganèseo Ceci nécessite l'usage d'un Laitier à bas point de fusion et donc exclut les laitiers riches en chaux. L'élimination du soufre repose sur les oxydes ferreux et/ou de manganèse plutôt que sur une forte basicité du laitier.
Ces divers facteurs se combinent pour permettre une élimination du soufre et du silicium de la fonte brute de manière simultanée.
Pour mettre en oeuvre l'invention, on commence par préparer un laitier artificiel en fondant ensemble des proportions de chaux, de silice et d'oxydes ferreux et/ou de manganèse telles que l'on obtienne une composition sensiblement neutre mais fortement oxydante d'un point de fusion inférieur à 1250 c. Les proportions qui fournissent la combiriaison voulue de propriétés sont :
CaO 25 à 40% en poids
SiO 1,7 fois le poids de chaux
EMI2.1
Fe 203et/ou MnO le reste, mais en aucun cas moins de la % en poids du mélange.
On peut remplacer la chaux par l'oxyde de magnésium dans la gamme de proportions ci-dessus mais celui-ci ne doit pas dépasser la teneur en chaux ou 14% du poids total du laitier. La silice peut être remplacée par de l'alumine jusqu'à concurrence de 20% de la silice mais sa teneur ne doit pas dépasser 6%. La définition ci-dessus se rapporte à des compositions de laitier dans lesquelles le rapport molaire des oxydes fortement basiques aux oxydes fortement acides est de 1/1 à 1,1/1 et dans lesquelles la quantité totale de constituant oxydant -Fe0 et/ou MnO est comprise entre 10 et 50%, comme le montre le tableau suivant.
EMI2.2
<tb>
<tb>
Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> CaO <SEP> 25 <SEP> 40 <SEP> 12,5 <SEP> 12,5 <SEP> 26 <SEP> 26 <SEP> 25 <SEP> 13,5
<tb> MgO <SEP> -- <SEP> -- <SEP> 12,5 <SEP> 12,5 <SEP> 14 <SEP> 14 <SEP> -- <SEP> 13,5
<tb> SiO <SEP> 27 <SEP> 43 <SEP> 30 <SEP> 27 <SEP> 44 <SEP> 49 <SEP> 21,5 <SEP> 33
<tb>
EMI2.3
AI203 -- -- 6 6 -- 5e5
EMI2.4
<tb>
<tb> FeO <SEP> et/ou <SEP> MnO <SEP> 48 <SEP> 17 <SEP> 45 <SEP> 42 <SEP> 10 <SEP> 11 <SEP> 48 <SEP> 50
<tb>
Rapport molaire ) Oxydes basiques/) 1/1 1/1 1/1 1/1 1,03/1 1,1/1 1,08/1 1,05/1 oxydes ) acides. )
Ce tableau montre les limites nomin ales de composition des laitiers propres au but envisagé.
Les compositions dans lesquelles le composé oxydant est voisin de la limite supérieure, soit environ 40%,
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donnent toutefois de meilleurs résultats; par ailleurs, bien qu'on puisse utiliser uniquement l'un ou l'autre des deux oxydes FeO et MnO, les laitiers contenant des mélanges de ces matières sont un peu plus faciles à préparer.
Conformément à un exemple particulier, on donnera la préférence à un laitier présentant à peu près la composition suivante:
EMI3.1
<tb>
<tb> MnO <SEP> 17 <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb> FeO <SEP> 23% <SEP> en <SEP> poids
<tb> Al2O3 <SEP> 3% <SEP> en <SEP> poids
<tb> SiO2 <SEP> 28% <SEP> en <SEP> poids
<tb> MgO <SEP> 4% <SEP> en <SEP> poids
<tb> CaO <SEP> 25% <SEP> en <SEP> poids
<tb>
Râpport molaire oxydes basiques/acides 1,1/1
Bien que les laitiers du caractère ci-dessus, en raison de leur faible basicité, aient jusqu'ici été considérés comme inefficaces pour éliminer le soufre, ils absorbent et retiennent, au moins pendant un temps limité, des quantités considérables de soufre à condition d'éviter l'absorption de silice.
Bien que ceci soit impossible dans un procédé visant à une oxydation rapide du silicium, la demanderesse a découvert que les effets de l'absorption de la silice peuvent être compensés par oxydation d'une quantité égale ou supérieure de manganèse. En conséquence, ayant préparé un laitier approprié, on examine ensuite la composition de la fonte brute à traiter et si nécessaire on règle sa teneur en manganèse de manière à obtenir un rapport minimum de Mn à Si de 1,2/1 par addition de ferromanganèse ou analogue. On change alors une certaine quantité de fer à l'état fondu dans une chambre à revêtement basique convenable et, pour chaque tonne de fonte chargée, on introduit dans la chambre 12,5 à 50 kg de laitier préparé, également à l'état fondu.
Le laitier peut être utilisé avec succès, pour ce qui concerne l'élimination'du soufre et du silicium, sous forme granulaire et sèche mais les pertes de métal sont alors plus grandes et la température finale de la fonte traitée est abaissée. La valeur de 12,5 kg de laitier par'tonne de fonte chargée représente le minimum pour un traitement efficace. L'augmentation du volume de laitier au délà de cette quantité fournit un plus grand réservoir suscep- tible d'absorber le soufre et à ce titre en facilite l'élimination.
Il est donc désirable d'utiliser un peu plu que le minimum de laitier, en particulier quand on traite des fontes riches en soufre. Toutefois un grand volume de laitier est inutile et indésirable quant au prix de revient. La limite supérieure de 50 kg par tonne de fonte chargée a été établie compte tenu de ces facteurs. Pour les qualités usuelles de fonte brute, la quantité pratique optimum de laitier est d'environ 17,5 kg par tonne. Dès que le chargement est terminé, on soumet la fonte et le laitier à l'action d'un ou de plusieurs jets d'air dirigés à leur surface. Ces jets ont deux buts, savoir mélanger énergiquement le laitier et le métal pour provoquer l'absorption du soufre par le laitier et oxyder le silicium et le manganèse pour les éliminer et entretenir ou augmenter la température du bain.
Pour obtenir ces deux résultats, le soufflage doit être opéré dans des conditions strictes.
Une élimination efficace du soufre exige au moins trois minutes de mélangeage, mais on ne doit pas dépasser sept minutes environ, ce qui représente à peu près la durée maximum pour entretenir des conditions favorables à l'absorption du soufre par les laitiers du type appliqué au
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procédé et satisfaire aux besoins en chaleur sans apport extérieure Cela signifie que l'oxydation du silicium et du manganèse doit être terminée dans ce temps limité pour fournir la chaleur nécessaire et pour éviter une oxydation sensible du carbone. Comme on l'a dit, la diminution de la teneur en carbone du fer nuit à la mobilité du soufre et doit être évitée dans le présent procédé.
Pour éviter l'oxydation du carbone il est également nécessaire que les jets d'air ne pénètrent pas ou ne passent pas dans le fer, ce qui établirait un transfert d'o- xygène au métal plus grand que la vitesse d'utilisation de l'oxygène dans la combustion du silicium et du manganèse, et fournirait donc un excès d'oxygène qui réagirait avec le carbone. Ces exigences quelque peu contradictoires sont satisfaites en fournissant de l'air sous forme d'un ou plusieurs jets d'une énergie cinétique suffisante pour se frayer un chemin à l'interface laitier-métal mais insuffisante pour provoquer dans le métal une dépression d'une profondeur dépassant le diamètre du jet. Divers facteurs sont importants à ce titre.
1) - l'extrémité de décharge du jet ne doit pas être à plus d'un diamètre de jet au-dessus de la surface du bain; les jets dont la section transversale n'est pas circulaire doivent être disposés conformément aux critères de similitude de Reynolds;
2)- la vitesse du jet doit être de 90 à 150 mètres/seconde;
3)- la dimension et le nombre de jets doivent être proportionnés de manière à fournir la quantité voulue d'air entre les limites de temps et de vitesse indiquées.
L'angle fait par le jet avec la surface présente également une certaine importance. Les angles supérieurs à 25 environ tendent à provoquer la "perforation" du métal par le jet d'air. Les angles inférieurs à 5% environ tendent à augmenter les besoins en air et exercent une action refroidissante indésirable. La quantité d'air nécessaire se calcule facilement d'après la teneur en manganèse et en silicium de la fonte brute. Il faut toutefois beaucoup plus que la quan- tité théorique d'oxygène pour enlever complètement ces métalloïdes, à cause de la nécessité d'utiliser des jets non-pénétrants qui sont beaucoup moins efficaces que, par exemple, les jets introduits audessous de la surface métallique.
Pour cette raison on doit fournir environ trois fois la quantité théorique d'oxygène nécessaire à l'oxydation du silicium et du manganèse. Dans la pratique ceci représente environ 156 mètres cubes d'air par tonne de fer chargé. La capacité d'absorption du soufre des laitiers sensiblement neutres utilisés dans le procédé diminuant par suite de la réaction subséquente du carbone avec l'oxyde de fer quand le laitier et le métal sont à l'état nonagité, il est essentiel que le métal soit versé immédiatement dès que le traitement est terminé et que le laitier en soit séparé.
Il résulte de ce qui précède que le présent procédé n'est pas applicable à toutes les fontes brutes. La fonte doit être voisine de la saturation en carbone et le rapport du manganèse au silicium doit être d'au moins 1,2/1. L'élimination du silicium et du manganèse augmente le point de fusion de la fonte et il faut de la chaleur pour maintenir la charge à l'état fondu. De plus il faut compenser les pertes de chaleur provenant du transport du fer du haut-fourneau à la chambre de traitement et de là au four de raffinage final. Ces considérations supplémentaires fixent la teneur minimum en silicium de la fonte à environ 0,5%, qui fixe elle-même la teneur minimum en manganèse à au moins 0,6%, soit 1,2 fois la quantité de silicium.
En outre le procédé, comme les autres procédés connus n'est susceptible d'enlever
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qu'environ 40% du soufre,de sorte que la limite pratique du soufre présent dans la fonte à traiter est d'environ 0,06 %. Celle-ci est toutefois bien plus qu'admissible dans les fontes de hauts-fourneaux dans les procédés actuels et on peut ainsi éviter les coûteuses opérations spéciales aux hauts-fourneaux jusqu'ici nécessaires. La teneur en phosphore de la fonte est sans importance en ce sens que, bien qu'une certaine quantité du phosphore puisse être enlevée dans le présent procédé, elle n'influence pas l'élimination désirée du soufre et du silicium. Ainsi les seules limites imposées au phosphore sont celles qui sont fondées sur l'usage final du fer. Cette limite usuelle est de 0,1 à 0,8%.
A titre d'illustration des opérations selon l'invention, on mélange ensemble de la chaux, de la magnésie, de la silice, de l'alumine, des oxydes ferreux et de manganèse, dans les proportions suivantes
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<tb>
<tb> CaO <SEP> 25% <SEP> en <SEP> poids
<tb>
EMI5.2
mgo 4bÉ " ri
EMI5.3
<tb>
<tb> SiO2 <SEP> 28% <SEP> " <SEP> "
<tb>
EMI5.4
Ai 203 3% rr If
EMI5.5
<tb>
<tb> FeO <SEP> 23% <SEP> " <SEP> "
<tb> MnO <SEP> 17 <SEP> % <SEP> " <SEP> "
<tb>
On fond ensemble ces matières et on les maintient à l'état fondu dans un récipient approprié agencé de manière qu'on en puisse retirer des quantités suivant les besoins.
On étudie alors la composition de la fonte du haut-fourneau et, si le rapport du manganèse au silicium y est inférieur à 1,2/1, on ajoute assez de ferromanganèse pour augmenter sa teneur en manganèse au point d'obtenir ce rapport minimum. On charge alors une certaine quantité de fonte dans un récipient approprié, par exemple possédant une sole à revêtement basique, et une série de tuyères de 10 cm de diamètre environ disposée sur l'un des côtés et inclinée vers la sole pour diriger de l'air suivant un angle d'environ 20 sur la surface du bain présent dans la cuve. On charge une quantité suffisante de fonte dans la cuve de manière à établir le niveau du bain à environ un diamètre de jet de l'embouchure des tuyères.
On charge alors immédiatement environ 17,5 kg de laitier fondu préformé par tonne de fonte dans la cuve et on introduit immédiatement par les tuyères 156 mètres cubes d'air en six minutes environ. Le nombre de tuyères est fixé, dans le modèle de cuve, de manière à débiter cette quantité d'air en un temps compris entre cinq et sept minutes à une vitesse comprise entre 90 et 150 mètres par seconde. Au bout de six minutes, on interrompt l'insufflation d'air, on coule la charge et on en sépare le laitier. Cette opération enlève environ 40% du soufre présent à l'origine dans la fonte brute et au moins 80 % du silicium et du manganèse; les résultats exacts dépendent dans une certaine mesure de la composition originale de la fonte brute.
Il peut également se produire une légère réduction du carbone et du phosphore mais leurs proportions originales ne sont pas essentiellement modifiées. Le traitement élève la température du fer de 110 à 165 C. La température du fer ne doit pas être inférieure à 1370 C. au moment de la charge de manière à obtenir la température finale convenable. La fonte traitée peut alors être transportée dans un mélangeur suivant la pratique usuelle ; on en retire de temps en temps des quantités appropriées en vue de leur raffinage dans les fours usuels ad hoc.
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