<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention est relative à un procède d'affinage de la fonte ayant une teneur en phosphore de plus de 0,5%, où on souffle sur la surface de la fonte liquide de l'oxygène pur ou un gaz d'affinage enrichi en oxygène, et où. on donne naissance à la surface du bain, à un champ limité de réaction à température élevée.
Les procédés de ce genre qui ont été mis au point récemment, sont dénommés procédés d'affinage au vent par le haut. Ils ont pour but de mettre à profit les avantages économiques et techniques des procédés au con- vertisseur, sans qu'on soit obligé d'en subir les imcon- vénients. Par le soufflage, par le haut, d'oxygène pur ou de gaz riche en oxygène sur la surface du bain de fonte liquide, on élabore un acier de haute qualité, exempt d'azote, qui est comparable, par ses propriétés, aux aciers obtenus dans les fours à sole ou qui leur sont même supé- rieurs.
Un procédé caractéristique d'affinage au vent par le haut est ce qu'on appelle le procédé Linz-Donawitz, qui a été mis au point par la demanderesse et qui a été décrit en détail dans la Revue Stahl und Eisen de 1952, pages 992 et suivantes, ainsi que dans l'ouvrage intitulé "Drei Jahre LD-Stahl" publié par la demanderesse en 1956.
Dans le procédé d'affinage au vent par le haut, on assure la déphosphoration des fontes phosphoreuses au moyen d'une scorie à ferrite de chaux, qui est en mesure d'absorber le phosphore. Pour l'élaboration d'une scorie à la ferrite de chaux qui soit capable d'entrer enréac- tion, il faut d'une part la présence d'une quantité suffi- sante d'oxyde ferrique et dechaux, mais d'autre part aussi une température relativement élevée, autant que possible dès le début de l'opération de soufflage, afin que la sco- rie soit dans un état de grande fluidité qui est le seul
<Desc/Clms Page number 2>
à permettre à la scorification du phosphore de s'accom- plir à une vitesse suffisante.
Pour la préparation d'une scorie de ferrite dé chaux, on dispose, d'après le mode opératoire connu, de deux solutions possibles. On peut, après l'addition, au début de l'opération, de la quantité de chaux nécessaire ou du moins de la majeure partie de cette quantité de chaux, ajouter pendant l'opération d'affinage, la quantité nécessaire des oxydes de fer d'une manière continue par exemple à des intervalles d'une minute, ou bien on peut aussi, en renonçant à une addition séparée de l'oxyde ferrique, préparer à partir de la charge même de fonte la quantité d'oxyde ferrique nécessaire à la formation de la scorie de ferrite de chaux,
en oxydant une partie de la fonte qui se trouve dans le convertisseur par une augmen- tation des dimensions du champ de réaction en augmentant la distance de la buse de soufflage par rapport à la sur- face du bai.n, ou par des mesures analogues relevant de la technique du soufflage. Bien que cete seconde méthode soit, naturellement, plus coûteuse et donne lieu à des pertes de fer non négligeables, on la préfère quelquefois à la première méthode consistant dans l'addition d'oxyde ferrique, parce qu'elle offre l'avantage que la scorie capable de réagir se forme plus rapidement et est plus fluide car l'oxydation du fer dans le bain est un proces- sus exothermique.
Si on part de nuances de fonte conte- nant plus de 0,5 de phosphore et si on veut parvenir à des aciers contenant moins de 0,030 de phosphore, il est nécessaire, avec les deux procédés connus, de soutirer la scorie une ou plusieurs fois.
Si on considère les phénomènes métallurgiques qui se déroulent pendant l'affinage de la fonte avec ltoxy- gène et lors de l'utilisation d'une scorie contenant de
<Desc/Clms Page number 3>
l'oxyde ferrique, on obtient les relations suivantes.
En vertu des rapports théoriques dans le systè- me fer - carbone - oxygène, on sait qu'il y a entre la te- neur en carbone et la teneur en oxygène de la masse fondue une relation d'équilibre. Cette relation peut être repro- duite, dans une représentation simplifiée, sous la forme de courbes correspondant à différentes températures. La figure 1 donne une représentation de ce genre. Dans cette figure ont été tracées trois courbes qui reproduisent la relation entre la teneur en carbone du bain, en pour cent, en poids, de la teneur en oxygène du bain, également en pour cent en poids, aux températures de 1500, de 1600 et .
-de 1650 C dans l'état d'équilibre.
On sait aussi, d'autre part, que la relation d'équilibre qui commande la décarburation est influencée par la composition de la scorie par le fait que la teneur en FeO de la scorie est également dans un rapport d'équi- libre avec la teneur en oxygène du bain. Plus la teneur. de la scorie en FeO est élevée, plus est également élevée, toutes les autres conditions étant les mêmes, la teneur en oxygène du bain, ou bien, autrement dit, pour une même teneur en carbone un acier contiendra, à l'état d'équili- bre, davantage d'oxygène, quand il aura été affiné sous une couche riche en oxyde ferrique, qu'un acier qui aura été affiné sous une scorie ayant.une teneur en oxyde ferri- que plus faible.
Bien que, dans la réalisation technique d'un procédé d'affinage, il ne soit jamais possible, bien enten: du, d'atteindre effectivement l'état d'équilibre, lequel ne s'établirait qu'au bout d'untemps d'une durée infiniment longue, il en résulte tout de même une condition important te à réaliser : on devrait absolument agir en sorte que vers la fin de l'opération d'affinage, lorsqu'on atteint
<Desc/Clms Page number 4>
la teneur désirée en carbone, la teneur en oxygène ne soit pas sensiblement supérieure à la courbe d'équilibre, car une teneur élevée en oxygène rend l'acier élaboré cas sant et fragile et interdit son emploi pour certains do- maines d'utilisation déterminés. Avec le procédé Linz- Donawitz, cette condition est réalisée de façon presque parfaite.
On sait que les aciers élaborés par le procédé Linz-Donawitz ont une teneur en oxygène très faible, qui est de 0,020 à 0,040 pour cent quand on atteint une teneu en carbone de 0,20 à 0,05 pour cent. Quand on compare la dépendance entre le carbone et l'oxygène qu'on obtient avec le procédé Linz-Donawitz et la courbe d'équilibré à 1600 C environ, on reconnaît que les chiffres obtenus pratiquement ne sont pas écartés de la courbe de façon sensible. Dans la figure 2, on a représenté schématique- ment, sous la forme de la ligne A en trait continu, dans le diagramme carbone-oxygène, les résultats, fournis par des essais pratiques, qu'ont donné des charges Linz-Dona- witz. La ligne Gl de la figure 2 est la courbe d'4quili- bre à 1600 C.
Pour en revenir alors au problème de la déphos- phoration en tenant compte des points de vue métallurgi- ques généraux exposés ci-dessus, il faut constater tout d'abord que les méthodes connues de déphosphoration ci- tées ci-dessus ne satisfont pas à la condition importante selon laquelle le processus d'affinage doit être conduit de façon que les valeurs pour le carbone et l'oxygène restent, à la fin de l'opération d'affinage, au voisina- ge de la courbe d'équilibre. Il est exact, il est vrai, que le métallurgiste se trouve en l'espèce devant un di- lemme qu'il n'est pas facile à résoudre.
Car, d'une part, il faut qu'il y ait dans la scorie de l'oxygène fer- rique présent en abondance, pour qu'il se forme une sco-
<Desc/Clms Page number 5>
rie de ferrite de chaux pour la déphorphoration, d'autre part il faut que l'acier qit une teneur en oxygène réduite' au minimum. Ce problème n'a pas été résolu jusqu'ici. Si on porte les valeurs pour le carbone et l'oxygène qu'on obtient avec le procédé de déphosphoration connu cité en premier, avec addition d'oxyde ferrique à des intervalles d'une minute, dans le diagramme de la figure 2, on obtient une allure qui correspond à la ligne en traits mixtes C.
Les valeurs pour le carbone et l'oxygène lors de la forma- tion de l'oxyde ferrique par oxydation de la charge sui- vant la seconde méthode correspondant également de façon approximative à la ligne en traits mixtes du diagramme qui est désignée également par D. Dans les deux cas, on voit que les valeurs qu'on peut atteindre pour l'oxygène lors de l'affinage suivant la ligne C, D se trouvent à grande distance au-dessus ou sur le côté de la courbe d'équilibre Gl et qu'on ne peut obtenir aucun acier conte nant moins de 0,050 pour cent d'oxygène, ce qui est déjà excessif pour les aciers de qualité.
Dans ces conditions, la présente invention a pom ' but d'élaborer à partir d'une fonte ayant une teneur en phosphore de plus de 0,5 pour cent, un acier ayant une teneur en phosphore de moins de 0,030 pour cent, la teneur de l'acier en oxygène étant en même temps inférieure à
0,050 pour cent. Conformément à la présente invention, on résout ce problème en ajoutant au bain, quand on atteint une teneur en carbone comprise entre 2,0 et 0,8, et de préférence entre 1,5 et 1,0 pour cent, une addition uniqu d'un excès d'oxyde ferrique qui forme, avec les autres constituants de la scorie, une scorie capable d'entrer en réaction, absorbant le phosphore, qu'on soutire ensuis te, à la suite de quoi on conduit l'opération à son terme d'une manière connue.
Quand on porte, en utilisant la
<Desc/Clms Page number 6>
même représentation qu'avec les méthodes connues, dans le diagramme de la figure 2 les valeurs pour le carbone et l'oxygène obtenues avec le mode opératoire selon la pré- sente invention, on obtient la ligne B en trait continu qui coincide avec la ligne A du procédé Linz-Donawitz.
Dans la manière d'opérer selon l'invention, on atteint donc, vers la fin de l'opération d'affinage, les mêmes chiffres avantageux pour l'oxygène qu'avec le procédé Linz-Donawitz connu, et l'acier élaboré de cette façon contient pour les applications pour lesquelles on demande les qualités les plus grandes.
Les effets obtenus par la présente invention s'expliquent par le fait que l'établissement de l'équili- bre entre la teneur de la scorie en FeO et la teneur en oxygène du bain s'effectue plus lentement que ne s'accom- plit la réaction entre les constituants CaO et FeO de la scorie et le phosphore du bain, réaction par laquelle on retire le phosphore de ce bain. La réaction importante est la suivante, si on admet que le phosphore est présent sous la forme d'un phosphure :
EMI6.1
Fe 3 P 2 + 5Fe0 ' P 2 0 5 + 8Fe
P2O5 + CaO @@ Cae(PO4)2
La réaction est fonction de la température.
L'équilibre se déplace vers la droite lorsqu'on a une sco- rie relativement froide sur un bain chaud, et vers la gau- che quand c'est une scorie chaude qui se trouve sur un bain relativement froid. Ainsi qu'on l'a observé, il suf- fit d'un temps de contact très court pour une déphosphora- tion poussée, c'est-à-dire pour une formation importante de phosphate de chaux de formule Ca (PO4)2. Au cours de cette courte période de contact, l'équilibre de réparti-
<Desc/Clms Page number 7>
tion entre le FeO de la scorie et le bain ne s'établit pas, c'est-à-dire que le bain n'absorbe pas d'oxygène. Le FeO éventuellement en excès dans la scorie réagit avec le carbone du bain, et les chiffres se rapprochent de nouveau progressivement de la courbe d'équilibre.
On peut trouver les caractéristiques particu- lières du mode opératoire conforme à la présente invention par comparaison avec les méthodes connues dans la figure 3 dans laquelle sont représentées les relations entre la teneur en carbone du bain et la teneur de la scorie en FeO. La ligne Gl correspond à la courbe d'équilibre. La ligne A donne l'allure normale d'un procédé Linz-Donawitz pour lequel on opère avec une scorie ayant une teneur de 6 à 8 pour cent, en poids, de FeO, jusqu'à ce qu'on attei gne une teneur en carbone de 0,3 à 0,2 pour cent. La li- gne C indique la méthode connue de l'addition de l'oxyde de fer par intervalles d'environ une minute, et la ligne D reproduit la méthode connue du léger soufflage par le haut en vue de la formation d'oxyde ferrique à partir de la charge de fonte.
Par conséquent, avec les deux procé- dés connus la teneur en oxyde ferrique est supérieure à 20 pour cent de FeO pendant toute l'opération d'affinage, en conséquence les teneurs des charges en oxygène sont élevées également, comme on le voit par les lignes C et D de la figure 2 qui correspondent aux lignes C et D de la figure 3.
La ligne B de la figure 3 représente en revan- che un exemple du procédé selon la présente invention.
D'après cet exemple, on opère d'abord, jusqu'à ce qu'on ait atteint une teneur de carbone de 1,1 pour cent, exac- tement suivant le procédé Linz-Donawitz, et ensuite on ajoute au bain la masse unique d'oxyde ferrique. 'Comme 1 montre la courbe B de la figure 3, la teneur en oxyde fer-
<Desc/Clms Page number 8>
rique de la scorie augmente brusquement et très fortement, de sorte qu'elle peut atteindre plus de 25 et même plus de 30 pour cent de FeO, et cette scorie riche en oxyde ferrique réagit brusquement avec le phosphore qui se trou- ve dans le bain.
On laisse s'écouler la scorie, et on con tinue ensuite l'opération de nouveau suivant la courbe d'affinage connue Linz-Donawitz (Ligne A) . Au cours de la courte période de contact de la scorie riche en oxyde ferrique avec le bain, pendant la phase de déphosphora- tion, l'équilibre de répartition entre la teneur en FeO de la scorie et la teneur en oxygène du bain ne peut pas s'établir. D'après la ligne B de la figure 2, on voit que la teneur en oxygène du bain n'augmente pas ou n'aug- mente pas sensiblement pendant la phase de déphosphora- tion. Comme, en raison de la violente réaction qui se dé- roule au cours de cette phase, on ne dispose pas de chif- fres exacts pour l'oxygène, la ligne B n'a été tracée dans la figure 2 dans cette région qu'en traits interrom- pus.
Après coulée de la scorie et continuation du souf- flage, les valeurs de l'oxygène ne sont en tout cas pas plus élevées qu'avant la déphosphoration.
L'addition en une seule fois, conformément à la présente invention, de l'oxyde ferrique, doit commencer de préférence, comme cela a été indiqué ci-dessus, quand on atteint pour le carbone une teneur comprise entre 1,5 et 1,0 pour cent. Il est vrai qu'on peut encore travail- ler à des teneurs en carbone un peu plus faibles, mais alors le temps dont on dispose jusqu'à l'achèvement de la préparation de la charge est relativement court et on peut manquer de temps quand on ajoute l'oxyde ferrique à des teneurs inférieures à 0,8 pour cent de carbone.
La quantité d'oxyde ferrique ajoutée doitêtre' telle que la teneur de la scorie en FeO soit fortement
<Desc/Clms Page number 9>
augmentée, plus spécialement augmentée d'au moins 50 pour cent et de préférence de 200 pour cent. Après une demi-mi- nute environ, l'oxyde ferrique s'est entièrement dissout, et la réaction de déphosphoration commence. Après une mi- nute, on peut faire écouler la. scorie riche en phosphore.
Après écoulement de la scorie, on peut ajouter une nouvelle quantité de CaO et le cas échéant encore un peu d'oxyde ferrique. Mais après la. déphosphoration, il ne faut pas que la scorie contienne davantage d'oxyde fer- rique qu'une charge Linz-Donawitz ordinaire, c'est-à-dire qu'il faut qu'elle contienne moins de 15 pour cent environ de FeO.
Ainsi que cela a été indiqué ci-dessus, la réac- tion de déphosphoration dépend de la température et elle s'accomplit dans les conditions les meilleures lorsque la scorie est plus froide que le bain. De ce point de vue également, l'addition en une seule fois, conformément à la présente invention, d'une quantité assez grande d'oxyde ferrique a un effet très favorable, parce qu'elle exerce un effet de refroidissement. C'est pourquoi, conformément à la présente invention, la déphosphoration se fait en un temps très court.
La scorie qu'on a laissée s'écouler après l'ad- dition d'oxyde ferrique peut contenir 15 pour cent et da- vantage de P2O5. Elle convient très bien comme engrais.
Par les exemples qui vont suivre, le procédé selon la présente invention va être décrit de façon encore plus détaillée.
EXEMPLE 1
Dans un convertisseur basculant, muni d'un gar- nissage intérieur réfractaire, on introduit la charge sui- vante :
<Desc/Clms Page number 10>
30. 210 kg de fonte liquide contenant
EMI10.1
3,,96, 79. de c:, 0,72 jo de 9i, 1,74 % de Un, 1,,14. % de. P, 0,042 % de. S..
4.330 kg de ferraille.
A la charge, on ajoute, à titre de composés con- tribuant à la formation, de. la scorie, 2700 kg de CaO, 150 kg de scorie de flambage et 400 kg de CaF2. Ensuite, on place une lance de soufflage d'oxygène comportant une buse de 35 mm à une distance de 80 cm au-dessus, de la surface du bain sur laquelle on souffle de 1'-oxygène sous une près* sion de dix atmosphères effectives,
Après un temps de soufflage de 11,30 minutes, on retire la lance et on ajoute au, bain 200 kg de scorie de flambage et 200 kg de minerai (ayant une teneur en fer de 67%). Une violente réaction s'amorce pendant la période comprise entre 11,45. et 12,25 minutes à partir du.
début de la période de soufflage. On fait lentement basculer le convertisseur, on prélève des prises d'essai d'acier et de scorie, et on laisse la scorie stécouler,, La pr@se dressai de l'acier a la composition suivante
EMI10.2
1.A5. %'de C, ou91 % de In, 0,22 % de P,; O014 % de S. La température., mesurée à l'aide d'un pyromètre à immer- sion à platine et platine rhodié, est de 1565 C.
La scorie a la composition suivante ! il$ de Fe, 5,83% de Mn, 12,26% de SiO2,
EMI10.3
,28>' de Al 203e 50% de CaO" 4,79o de blgO4 4,99% de P.
Après redressement du convertisseur, on ajoute, après 21,80 minutes, à compter du début de la période de soufflage, 1800 kg de CaO, 100 kg de scorie de flambage, 300 kg de bauxite, 300 kg de minerai de manganèse et 350 kg de sable de quartz, Après 22,80 min@tes, on ramè- ne la lance à oxygène à une distance de @@ @@ et on conti-
<Desc/Clms Page number 11>
nue de souffler avec de l'oxygène sous une pression de huit atmosphères effectives. Après 30 minutes comptées à partir du début de la charge, on retire la lance, on fait basculer le convertisseur et on prélève de nouveau .des prises'd'essai de l'acier et de la scorie. La prise d'essai de l'acier a la composition suivante : -0,07% de C, 0,25% de Mn, 0,020% de P, 0,01% de S.
La température est de 1615 U.
La prise d'essai de la scorie a la composition suivante : . 15,95% de Fe, 5,92% de Mn, 8,34% de SiO2, 4,19% d'A12O3, 51% de CaO, 4,19% de MgO,
1,73% de P.
On coule l'acier dans la poche en ajoutant enco- re 70 kg de ferro-manganèse (à 77 pour cent de manganèse).
La composition finale de l'acier est la suivante :
0,07% de C, 0,0% de Si, 0,31% de Mn. 0,015% de P, 0,01% de S.
EXEMPLE 2
Dans uh convertisseur comme celui de l'exemple
1, on introduit la charge suivante :
29.300 kg de fonte liquide contenant 3,80 % de C, 0,72% de Si, 1,7% de Mn, 2,03% de P,
0,043% de S.
3.500 kg de ferraille.
A la charge, on ajoute 2000 kg de CaO, 250 kg de bauxite, 150 kg de CaF2 et 460 kg de scorie liquide
Linz-Donawitz provenant d'une charge précédente. La com- position de la scorie Linz-Donawitz est de : 15,4% de Fe, 7,50% de Mn, 10,74% de SiO2, 1,24% d'A12O3, 51,8% de CaO, 4,22% de MgO, 0,63% de P.
On place la lance de soufflage, munie d'une buse
<Desc/Clms Page number 12>
de 35mm, à une distance d'un mètre de la surface du bain et on souffle pendant 11,20 minutes de l'oxygène sous une pression de dix atmosphères effectives sur cette surface.
De la cinquième à la dixième minute de soufflage, on ajou- te encore, par portions, 700 kg de CaC03. Après 11,20 minutes, de soufflage, on ajoute au bain, en une seule fois, 500 kg de scorie de flambage. La réaction de déphos- phoration commence et elle dure jusqu'à la fin de la dou- zième minute. On prélève des prises dtessai de l'acier et de la scorie et on laisse la scorie s'écouler. A ce stade, l'acier a la composition suivante :
0,87% de C, 0,34% de Mn, 0,34% de P, 0,032% de 'S,
La température, mesurée au moyen d'un pyromètre à immersion à platine et platine rhodié, est de 1505 C.
La scorie a la composition suivante : 15,53% de Fe, 7,1% de Mn, 16% de SiO2, 1,06% d'A12O3 40 % de CaO, 6,14% de MgO, 7,85% de P.
La coulée de la scorie, le convertisseur étant couché, dure dix minutes, de sorte que, depuis le début de la période de soufflage, il s'est écoulé vingt deux minutes.
Après redressement du convertisseur, on ajoute 1053 kg de CaO, 100 kg de scorie de flambage, 100 kg de bauxite, 300 kg de minerai de manganèse et 250 kg de sa- ble de quartz. Après la 23ème minute, on place de nouveau la lance de soufflage d'oxygène à une distance d'un mètre au-dessus de la surface du bain et on continue de souffler pendant 7,7 minutes, de sorte qu'il s'est écoulé 30,7 mi- nutes depuis le début de l'introduction de la charge.
A ce moment, on retire la lance, on fait basculer le con- vertisseur et on prélève des prises d'essai de l'acier et de la scorie.
La prise d'essai de l'acier a la composition
<Desc/Clms Page number 13>
suivante :
0,03% de C, 0,27% de Mn, 0,033% de P, 0,024% de S.
La température est de 1605 C.
La prise d'essai de la scorie a la composition suivante : 17,30 % de Fe, 5,22% de Mn, 7,76% de SiO2,
4,25% d'A12O3, 44,8% de CaO, 4% de MgO, 3,56% de P.
Lors de la coulée de l'acier dans la poche, on relève la teneur en carbone et on ajoute 50 kg de ferro- manganèse. La cômposition définitive est :
0,11% de C, 0,0% de Si, 0,45% de Mn, 0,02% de P,
0,018% de S.
REVENDICATIONS 1. Procédé d'affinage de la fonte ayant une teneur en phosphore supérieure à 0,5 pour cent, par soufflage d'oxygène, ou d'un gaz riche en oxygène, sur la surface du métal fondu, sous une scorie basique, et avec addition de porteurs d'oxyde ferrique, caractérisé en ce que quand on atteint une teneur en carbone de 2,0 à 0,8 pour cent, et de préférence une teneur comprise entre 1,5 et 1,0 pour cent de carbone, on ajoute au bain en une seule fois un excès d'oxyde ferrique qui forme avec les autres constituants de la scorie une scorie capable d'entrer en réaction et qui absorbe le phosphore, à la suite de quoi on laisse la scorie s'écouler et on conduit l'opération d'affinage à son terme d'une manière connue.