Bloc support servant à introduire des réactifs qui se vaporisent
dans une masse de métal en fusion.
La présente invention concerne un bloc support pour l'introduction, dans des métaux fondus, de réactifs enrobés dans une masse renfermant une charge et un liant, lesdits réactifs ayant la propriété de se vaporiser à la température du métal fondu envisagé.
Etant donné que les propriétés des matériaux métalliques, tels que le fer, la fonte et l'acier, dépendent
de leur composition et, surtout, de la présence et de la nature de certaines impuretés, il est généralement nécessaire d'ajouter, aux métaux .fondus envisagés, des agents de traitement déterminés, tels que les agents d'alliage et des agents d'affinage. C'est ainsi qu'on ajoute des désulfurants à des masses fondues de fer brut et des agents de désulfuration-désoxydation ainsi que des agents d'alliage à des masses fondues d'acier. En outre, on est souvent obligé d'incorporer des adjuvants déterminés, tels que des oxydes, des carbures ou des fondants, par exemple des fluorures, à des métaux fondus.
Pour introduire des agents de traitement, c'est-à-dire des réactifs et des adjuvants, on se heurte à
des difficultés particulières lorsque les agents en question sont moins denses que la masse fondue à traiter et/ou ont,
à la température du métal liquide, une pression de vapeur
très élevée. En effet, compte tenu de la température du bain,
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dans le cas des masses fondues de fer ou d'acier, la haute pression de vapeur conduit instantanément à une vaporisation explosive des agents de traitement. Il en résulte non seulement une perte, généralement élevée, en agents de traitement mais également un danger considérable pour le personnel qui risque d'être touché par des projections de métal ou de scories venant du récipient de traitement. Ajoutons à cela que, dans le cas d'une vaporisation explosive, les réactions
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n'ont pas lieu parce que ces réactions dépendent du temps et nécessitent une répartition aussi régulière que possible des réactifs ou des adjuvants dans la masse fondue.
Un exemple typique montrant bien les difficultés auxquelles on se heurte lors de l'introduction d'un réactif ayant une faible masse volumique et, à la température de la masse fondue, une haute pression de vapeur est celui de la fabrication de fer à graphite nodulaire au moyen de magnésium. La pression de vapeur du magnésium pur est si élevée à la température du fer liquide que le magnésium, dans les conditions normales, ne peut pratiquement pas être introduit dans une masse fondue de fer. L'introduction de magnésium exige donc des appareils spéciaux, tels que des poches de coulée sous pression ou des injecteurs, et/ou l'emploi d'un préalliage de magnésium à base d'un métal support, qui peut être le nickel, le silicium ou le cuivre, pour diminuer la pression de vapeur du magnésium et pour diluer le magnésium en quelque sorte avec le métal support.
Les teneurs en magnésium sont alors ordinairement d'environ 4 à 17 %, ils peuvent aller, dans des cas spéciaux, jusqu'à 32 %, et les masses volumiques peuvent aller jusqu'à environ 6 g/cm<3>, suivant la proportion du métal support. Malgré toutes ces mesures, le rendement en magnésium ne dépasse pas normalement 40 %. L'introduction du magnésium sous la forme d'un pré-alliage entraîne des frais supplémentaires à cause du métal support, par exemple de nickel dans le cas d'un pré-alliage nickel-magnésium, et également la présence, dans la fonte, d'un métal supplémentaire non recherché, ou. du moins non absolument indispensable.
A cela s'ajoutent les difficultés résultant du fait que les agents de traitement sont généralement moins denses que les métaux fondus à traiter de telle sorte qu'ils. surnagent à la surface du bain et qu'ils réagissent avec
la scorie qui s'y trouve et/ou avec l'oxygène de l'atmos- phère, d'où, là encore, des pertes importantes qui nuisent au -rendement.
On doit faire face à des inconvénients analogues lorsque les agents de traitement sont introduits sous la forme de briquettes ou d'objets moulés dans une masse fondue de métal, car les briquettes*et les objets moulés, si 'l'on veut que la pression de vapeur soit aussi faible que .possible et que la masse volumique soit élevée, doivent contenir une proportion importante de matière d'enrobage dense.
La matière d'enrobage peut être thermo-isolante et perméable <EMI ID=3.1>
sium. Toutefois, non seulement la masse volumique du coke imprégné de magnésium est trop faible mais encore sa fabrication est difficile et dangereuse car il faut plonger des morceaux de coke-dans du magnésium liquide. Par ailleurs, les forces de capillarité ne sont pas suffisantes pour que le coke absorbe de grandes quantités de magnésium.
L'introduction de magnésium et d'autres agents réactifs peu denses et s'évaporant à la température de la masse fondue, sous la forme d'un pré-alliage ou d'une briquette ou d'un objet moulé ou de coke imprégné, dans une masse fondue de fer est pénible et exige par conséquent des mesures spéciales. Par exemple, on place les pré-alliages ou les briquettes dans une enveloppe spéciale au fond d'une poche et on recouvre avec des déchets-de tôles d'acier avant de couler dans la poche la masse fondue à traiter. Dans un autre procédé connu on se sert d'une poche sous pression, fort coûteuse,dans laquelle on fait régner une pression correspondant à la pression de vapeur du magnésium, ou d'une cloche d'immersion à l'aide de laquelle on plonge l'agent de traitement profondément dans la masse fondue.
On connaît en outre des procédés d'insufflation dans lesquels l'additif contenant du magnésium est insufflé dans la masse fondue au moyen d'un gaz vecteur et d'un injecteur. Le gaz vecteur est alors porté inutilement à la température de la masse fondue et il abaisse obligatoirement la pression partielle du magné- aium et, par conséquent, également son activité. Les procédés mentionnés ci-dessus sont très coûteux et grèvent considérablement la fabrication de la fonte sphérolithique.
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fabrication de la fonte sphérolithique peuvent également se rencontrer dans la désulfuration et la désoxydation de métaux fondus au moyen de métaux alcalins ou alcalino-terreux ou de terres rares, dans la désoxydation et la dénitrogénation au moyen d'aluminium et de bore, ainsi que lors de l'introduction d'agents de traitement sous la forme de composés chimiques, tels que des borates jouant le rôle de fondants, ou des carbures.
Cela étant, la présente invention a pour objet un corps support permettant d'introduire des agents de traitement, tels que des métaux alcalins, des métaux alcalinoterreux et des terres rares, et éventuellement des adjuvants, tels que des fluorures, des carbures, des borates, de l'alumine,.de l'oxyde de calcium et de la silice, avec un rendement élevé, c'est-à-dire avec de faibles pertes, sans se heurter aux difficultés mentionnées ci-dessus, dans des masses fondues de métaux, plus spécialement dans des masses fondues
de fer et d'acier..Conformément. à l'invention, le corps support mentionné renferme un treillis . (enchevêtrement de fibres) qui est constitué de matières fibreuses organiques et/ou réfractaires ou organiques
et qui est capable de former des pores. Les fibres peuvent alors former des pores entre elles ou par une réaction ou
une décomposition à température élevée. L'avantage qu'il y a
à utiliser une matière fibreuse réside dans le fait que
les constituants du corps support peuvent être dosés et mélangés facilement en la quantité voulue et, plus spécialement, être mis sous une forme quelconque. De plus, la matière fibreuse conféré au corps solide à la.fois résistance mécanique et porosité, ce qui constitue un avantage supplémentaire ; elle enrobe bien l'agent de traitement en grains ou en poudre et l'empêche ainsi de former des grumeaux ou de donner lieu
à des différences de concentration d'un endroit à un autre,
ce qui serait fort gênant. Par conséquent, après mélangeage intime, façonnage et séchage ou durcissement du liant, l'agent de-traitement se trouve uniformément réparti et, éventuellement, finement divisé au sein de la masse d'enrobage et
entre le treillis générateur de pores. Il en résulte que l'agent de traitement peut s'échapper du corps support sans que
ce dernier éclate.
Des essais ont montré que le corps support, une fois l'agent de traitement libéré, peut être retiré pratiquement intact de la masse fondue. Il en est ainsi même
-lorsque le treillis est constitué de papier, de sciure de bois, de copeaux de bois ou de textiles. Cela est particulièrement important parce que les matières fibreuses en question, .qui sont dés déchets, sont disponibles en grandes quantités et à des prix extrêmement favorables.
Le corps support conforme à l'invention n'apporte pas d'impuretés dans la masse fondue, ce qui n'était pas le cas avec les pré-alliages, les briquettes, les objets moulés ou même le coke imprégné ; en effet, seuls les agents de traitement restent dans la masse fondue. Le rendement est élevé car le chauffage, la liquéfaction et la vaporisation de l'agent de traitement progressent lentement, de l'extérieur vers l'intérieur ; en d'autres termes, les agents de traitement
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tement arrivent à l'état de petites gouttes ou de bulles dans la masse fondue et sont animés,dans celle-ci, d'un mouvement ascendant, et c'est là un avantage. Il en résulte
une grande surface de contact entre les agents de traitement et la masse fondue, ainsi que de longues durées de réaction. En outre, des inclusions constituées de sulfures ou d'oxydes, même difficiles à séparer, peuvent se fixer sur les gouttelettes et les bulles de l'agent de traitement, avec lesquelles elles sont entraînées jusqu'à la surface du bain.
Enfin, les pertes de chaleur lorsqu'on utilise le corps support conforme à l'invention sont beaucoup plus faibles que lorsqu'on introduit les agents de traite. ment au moyen d'un appareil particulier, d'un gaz vecteur ou d'un pré-alliage parce que, dans le cas du corps support conforme à l'invention, il n'y a que la masse d'enrobage thermo-isolante, avec le treillis de fibres, qui est chauffée et la chaleur consommée est uniquement celle qui est nécessaire pour dissoudre et évaporer les agents de traitement.-, Dans les procédés connus, par contre, de grandes quantités de chaleur sont perdues parce que les appareils utilisés pour l'introduction ainsi que le métal support et le gaz vecteur sont obligatoirement portés à la température de la masse fondue et que la dissolution du support de l'alliage, dans
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chaleur.
Le treillis peut comporter, en plus de fibres organiques, également des fibres minérales, par exemple de l'amiante, de la laine de verre et de la laine de scorie, isolément ou en mélange, ce-qui peut avoir pour effet de
donner au corps support une certaine résistance Eécanique.
Pour que le corps support ait davantage de cohésion, le mélange de départ contient des liants durcissant à froid ou à chaud, tels qu'une résine, une résine synthétique ou du verre soluble.
Signalons un autre avantage, très important, du corps support conforme à l'invention : de par sa constitution, à savoir masse d'enrobage et treillis de fibres, il peut être mis sans difficultés sous une forme quelconque, par exemple par moulage par extrusion ou par coulée. De cette façon on peut par exemple fabriquer un corps support ayant une ouverture centrale grâce
à laquelle on peut, au moyen d'une tige enfoncée dans ladite
= ouverture centrale, plonger le corps support dans la
masse fondue à traiter et aussi l'en retirer à nouveau. Mais les ouvertures nécessaires peuvent également être créées par forage. De plus on peut polir à un certain degré un corps support à masse d'enrobage renfermant un treillis de fibres.
Le corps support peut aussi, grâce à son réseau de fibres,
être cloué sur le fond d'une poche, ou être enroulé autour d'une tige pour être introduit dans une masse fondue. Par ailleurs on peut scier ou découper sans difficultés aux longueurs voulues un corps support fabriqué par extrusion. Puisque l'agent de traitement est réparti uniformément dans le corps support cela permet un dosage facile de celui-ci.
Le corps support conforme à l'invention
peut également avoir une couche de revêtement thermo-isolante, dont le rôle est de retarder le commencement des réactions entre les agents de traitement et la masse fondue. Il peut également comporter des couches juxtaposées qui, alternativement, contiennent et ne contiennent pas d'agent réactif.
Quoique les fibres entourent plus ou moins, suivant les conditions de la fabrication, les particules de
la masse d'enrobage et forment ainsi des cavités et des canaux, il peut arriver que la porosité ainsi engendrée ne suffise
pas pour que l'agent de.traitement fondu ou vaporisé s'échappe. On peut remédier à cette insuffisance en ajoutant, au corps support, des substances capables d'engendrer des canaux, par exemple des substances qui rétrécissent à chaud ou qui se décomposent en diminuant de volume, notamment des écheveaux
de fibres naturelles ou synthétiques, des fils, de la paille, des morceaux de tissus ou des copeaux de bois. Sous l'effet
de la température de la masse fondue il se forme de cette manière des canaux de dégagement orientés ou non dont la section transversale totale et la répartition peuvent être ajustées au mieux, en ce qui concerne la libération progressive
de l'agent de traitement, par la quantité de la substance génératrice de canaux qui se trouve dans le mélange de départ. Comme substances génératrices de canaux on peut utiliser non seulement des fibres unies entre elles sous la forme de tissus ou d'écheveaux, mais également des tuyaux et des tubes éventuellement perforés, par exemple en matière plastique, en métal ou en un matériau réfractaire.
Lorsque le corps support doit avoir une certaine résistance mécanique il peut contenir des armatures de renforcement, par exemple en un métal ou en un tissu. Suivant la nature de l'armature il peut s'agir d'un renforcement permanent ou, par exemple dans le cas d'une armature
qui se décompose, d'un renforcement passager.
Des essais ont montré que le corps support peut contenir jusqu'à 40 à 50 % de magnésium sans que de vives réactions, et même sans qu'une dislocation du corps support, se produisent dans la masse fondue, par exemple dans une
masse fondue de fer. Cela est d'autant plus surprenant que
les pré-alliages de magnésium usuels ne contiennent généralement pas plus d'environ 17 % de magnésium, dans des cas spéciaux au plus 30 à 32 % à peu près de magnésium. Dans le corps support conforme à l'invention la teneur en magnésium peut aller de 5 à 25 % ou même à 35 %. La dimension des particules de magnésium est comprise entre 0,05 et 2,0 mm, mais
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veut mettre les particules sous une forme finement divisée avec un nombre de points de contact entre elles aussi faible que possible. Les points de contact forment en effet des ponts pour le transfert de la chaleur et nuisent à la libération . progressive recherchée de l'agent réactif et à la réaction progressive de celui-ci.
Le corps support peut en outre contenir
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d'un liant organique, par exemple de 2 à 4 %. Le reste est constitué d'une charge, par exemple d'une charge inerte à l'égard de la masse fondue, ou d'un adjuvant, tel que de l'alumine, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde de calcium, de la silice, des fluorures, des borates et des carbures, isolément ou en mélange entre eux.
Le dessin annexé, joint au commentaire qui suit, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les différentes figures ont les significations indiquées ci-dessous :
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un agent de traitement est finement dispersé ;
Fi�. 2 : coupe schématique d'un corps support renfermant un
agent réactif enfermé dans une cavité ;
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l'invention, qui est une variante de celui de la figure 2 ;
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que celui-ci a été plongé dans une masse fondue
de fer et y a réagi totalement.
Le corps supporta 10 représenté sur la fi- gure 1 est constitué d'une masse d'enrobage 11 avec un treillis de fibres, masse dans laquelle sont enrobés, sans contact mutuel, un réactif en grains 12 et, comme charge, un adjuvant 13, également en grains, tous deux finement dispersés. La struc.ture du corps support 14 de la ligure 2 est analogue, à cette <EMI ID=12.1>
dans une cavité cylindrique 16 qui est entourée d'une masse constituée d'un enchevêtrement de fibres 17, d'adjuvants 18
et d'un liant. Pour éviter une.trop forte concentration de l'agent réactif à l'intérieur du corps support on peut prévoir un corps support 19 (figure 3) à plusieurs cavités 20, 21 dans lesquelles se trouve un agent réactif 22.
En outre, pour que le transfert de chaleur soit plus faible, un corps support 23 peut également être muni d'une couche de .revêtement 24 thermo-isolante mais perméable aux gaz et contenir une armature de renforcement 25, telle qu'un tissu.
Un corps support 26 (figure 5) peut également être constitué, alternativement, de couches 27 dépourvues d'agent réactif et de couches 29 contenant l'agent réactif 28.
En vue d'être introduit dans une masse fondue, un corps support cylindrique.30 (figure 6) peut présenter un trou central 31 et être serré entre deux plaques perforées 32, 33. Par le trou 31 et les trous des plaques 32, 33 tous co-axiaux, passe un boulon 35 vissé à l'extrémité d'une tige 34 permettant l'immersion. Un tel corps de plongée n'est pas très coûteux et convient remarquablement bien pour l'immersion du corps support dans une masse fondue. Le corps support ne subit alors pas de destruction sensible, même lorsqu'il doit rester fréquemment pendant plusieurs minutes dans la masse fondue pour que l'agent réactif soit libéré complètement.
On a effectué des essais de fabrication * de .fonte à graphite nodulaire. ou de désulfuration de fer brut avec un corps support tel que représenté sur la figure 6 ou 7, renfermant 35 % de magnésium dans une masse d'enrobage à enchevêtrement de fibres de papier, à une température du bain
de 1600[deg.]C jusqu'à libération totale.du magnésium. Ces essais ont montré que le.temps de séjour nécessaire pour que la te-
-neùr en magnésium de la masse fondue soit de 0,02 à 0,08 %
est d'environ 4 minutes. Au bout de ce laps de temps, le corps support a l'aspect représenté sur la figure 8 : il a pratiquement conservé sa forme d'origine. Si l'on excepte le magnésium, qui est l'agent de traitement, aucun des autres constituants du corps support n'est passé dans la masse fondue.
Dans le cadre d'une série d'essais on a fabriqué plusieurs corps support 2 à 5 conformes à l'invention ayant les compositions indiquées dans le tableau (voir cidessous). On prépare une bouillie avec les quantités correspondantes des constituants indiqués, par mélange avec de l'eau. A chaque fois on coule la bouillie dans un moule ayant des tamis pour fond et pour couvercle et on élimine l'eau de la
-plaque ainsi formée par application d'un vide. On sèche ensuite au four, à environ.20000., la plaque dont on a éliminé l'eau. Dans la plaque séchée on découpe des disques d'un diamètre de
46 mm et on serre un disque entre deux plaques, comme indiqué sur la figure 6.
Dans une masse fondue de 15 kg de fer brut, dont la teneur en soufre est de 0,02 %, la teneur en magnésium de 0,007 % et la teneur en oxygène de 70 ppm, on plonge d'abord un disque 1 fabriqué de la même façon mais dépourvu
de magnésium et, après une durée d'immersion ou de réaction
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tiquement indemne. On prélève ensuite un échantillon de fer et on l'analyse : on constate que la composition de la masse fondue n'a pas changé. On plonge ensuite successivement dans la même masse fondue les disques 2 à 5 contenant chacun du magnésium d'une granularité de 0,06 à 1 mm en des quantités variables et on les laisse dans la masse fondue pendant les durées d'immersion ou de réaction indiquées sur le tableau. Les divers corps de plongée sont ensuite retiréschacun de la masse fondue lorsqu'on n'observe plus de réaction. La durée d'immersion indiquée dans le tableau correspond donc au temps qui s'écoule entre le moment de la plon- gée et la fin des réactions.
A titre de comparaison on plonge dans la masse fondue, entre le moment où 1 '.on introduit le corps 4 et celui où l'on introduit le corps 5, un corps de plongée a constitué de coke imprégné de 35 % de magnésium. Ainsi que le montre le tableau, la durée d'immersion ou de réaction n'est dans ce cas que de 90 secondes, ce qui revient à dire
-que déjà au bout de 90 secondes le coke ne libère plus de <EMI ID=14.1>
des deux corps 4 et 5 conformes à l'invention, à teneur en magnésium légèrement inférieure ou égale, sont respectivement de plus du double ou de plus du triple. Sur ce tableau comparatif on voit nettement que le corps de plongée conforme à l'invention libère son magnésium progressivement, c'est-àdire au cours d'une durée assez longue,. ainsi qu'on le souhaite. Après avoir été retirés du bain métallique, tous les corps de plongée ont encore leur forme d'origine.
Les dosages du soufre, du magnésium et
de l'oxygène montrent qu'il-est possible, au moyen des corps de plongée conformes à l'invention, de diminuer les teneurs en soufre et en oxygène en fonction de la quantité de magnésium introduite et, par ailleurs, d'augmenter la teneur en magnésium.
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Avec les corps supports conformes à l'invention
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souillée. Cela est d'autant plus important que le corps support conforme à l'invention offre la possibilité de remplacer les désoxydants et désulfurants qui conduisent à des inclusions gênantes, telles que l'alumine, des silicates ou des sul[pound]ures, par des métaux alcalins, des métaux alcalino-terreux
et des terres rares, très réactifs.
Parce que sa capacité calorifique est faible et que son volume est réduit, les pertes de chaleur sont extrêmement faibles. Enfin, la quantité d'agents de traitement peut être ajustée avec précision sans difficultés, à l'aide
de corps types tells que ceux qui sont représentés sur les figures 6 et 7; il suffit alors de placer le nombre voulu de corps supports à l'extrémité d'une tige de plongée. Par ailleurs, les corps supports, du fait qu'ils comportent un enchevêtrement de matières fibreuses, peuvent également être fragmentés sans peine à tout moment et permettent ainsi un dosage précis de l'agent de traitement.