Procédé pour réaliser des réactions entre un métal à Pétat liquide et une matière réagissante solide. Il est de pratique courante en métallurgie de traiter des bains de métaux fondus à l'aide de matières solides. C'est ainsi qu'il est connu, par exemple, de traiter l'acier fondu par le carbone en vue de la désoxydation et éventuellement de la recarburation. On a même suggéré de brasser l'acier avec du car bon-e par basculement du convertisseur et très courts soufflages ou par transvasements sans indiquer d'ailleurs les conditions d'une telle opération.
Il est également connu de traiter le cuivre par des matières renfermant du carbone, en vue d'obtenir une désoxydation poussée, mais les réactions sont généralement lentes et doi vent être effectuées dans des fours.
On a proposé, en particulier pour le cui vre, pour améliorer le contact entre les ma tières réagissantes, de noyer le carbone au sein du cuivre en remplissant complètement de morceaux de coke le four électrique où l'on opère, mais, malgré ces précautions et malgré l'amélioration qui en résulte, il est indispen sable pratiquement de faire des apports de chaleur extérieure et, en outre, il est néces saire de mettre en oeuvre des quantités de coke considérables, ce qui provoque une consomma tion d'énergie électrique encore accrue.
Enfin, qu'il s'agisse de traiter par des ma tières solides du fer, du cuivre ou d'autres métaux, les méthodes mises en oeuvre par la pratique actuelle, non plus. que celles suggé rées jusqu'ici, ne peuvent conduire, sans au tre, à l'équilibre avec les corps réagissants, ce qui entraîne la nécessité d'employer ces corps en grand excès et, en outre, conduit à des résultats très irréguliers d'une opération à l'autre.
La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients qui viennent d'être rappelés et, notamment, de provoquer des réactions ra- Aides et régulières entre un métal à l'état fondu et un corps solide.
Cette invention comporte un procédé pour réaliser des réactions entre un métal à l'état liquide et une matière réagissante solide, par transvasements, caractérisé en ce que, pour obtenir une réaction rapide, poussée et don nant un résultat prédéterminé entre le métal et une matière réagissante solide difficile à mêler avec le métal traité, on soumet simul tanément le métal liquide et la matière solide réagissante à des versements successifs que l'on réalise avec une énergie suffisante pour assurer, au cours des versements, un mélange intime et turbulent de la matière solide réa- gissante et du métal.
Le procédé est particulièrement utile dans le cas on la matière solide réagissante est de densité plus faible que le métal.
De préférence, dans la mise en oeuvre du procédé, l'ensemble des éléments est soumis à des intermélanges énergiques successifs répé tés à de courts intervalles de temps, en utili sant, par exemple, à cet effet, un appareil formé de deux capacités, opposées bouche à bouche et se prolongeant en quelque sorte l'une l'autre et disposées de manière que leur contenu puisse être déversé de l'une dans l'au tre et réciproquement, ces capacités étant ani mées, à cet effet, de mouvements d'oscillation ou de rotation.
Le métal liquide et le corps solide que l'on désire faire réagir, sont in troduits dans l'appareil et celui-ci est soumis à une série d'oscillations ou de rotations suc cessives. Le rapport entre le volume de cha que capacité et la charge de métal et de corps réagissant solide qui y est introduite pour traitement est choisi tel que la hauteur de chute de ladite charge d'une des capacités dans l'autre soit suffisante pour que le corps solide soit entraîné dans le métal et fortement mélangé avec lui et qu'il se produise de forts remous.
En opérant ainsi, la. rapidité des réac tions est telle que, même dans le cas de réac tions endothermiques, aucun apport de cha leur n'est nécessaire. II importe toutefois de bien préciser com ment doivent être effectués ces intermélanges successifs pour la réussite de l'opération.
Si l'on suppose que l'une des poches de l'appa reil contient du métal liquide sur lequel on a jeté, par exemple, des morceaux de char bon de bois et que l'on verse lentement le métal de cette poche dans l'autre poche de l'appareil, le charbon de bois ayant une den sité beaucoup plus faible que le métal, reste à la surface du bain et il ne produit qu'une réaction très lente et irrégulière.
Si, au contraire, le métal est versé avec force, la. totalité ou une grande partie du charbon est entraînée au sein du métal et mé langée énergiquement avec lui et l'expérience montre qu'alors la rapidité de la réaction augmente dans des proportions très impor tantes ainsi que la régularité des résultats obtenus.
C'est ce phénomène d'entraînement et de mélange énergique du corps solide au sein du métal qu'il y a lieu de rechercher; cet entra.î- n.ement est du reste aussi facilité par les re mous qui se produisent lors du choc du mé tal fondu contre les parois.
Il importe, en tout cas, que le versement du métal et du corps réagissant soit suffi samment énergique pour qu'il y ait pénétra tion des morceaux de l'élément réagissant au sein du métal et. production de forts remous, condition d'autant plus difficile à réaliser que les différences de densité entre le corps réa gissant et le métal sont plus élevées. Ce ré sultat peut être obtenu de la façon la plus simple, par exemple dans le type d'appareil décrit ci-dessous.
A chaque oscillation, il se produit un fort, mélange avec interpénétra tion des éléments en présence; au bout d'un certain nombre de versements énergiques d'une capacité dans l'autre, et réciproque ment, l'équilibre entre le métal et le corps réagissant est atteint.
Plus la force du versement. sera grande, plus les réactions seront rapidement effec tuées, toutes choses étant égales par ailleurs.
Si la réaction entre le corps solide et le métal donne lieu à la production d'un corps solide ou liquide peu volatil, il y a intérêt à verser le plus rapidement possible. Il con vient également, dans ce cas, que le corps so lide soit de préférence introduit dans l'appa reil sous une forme suffisamment divisée, par exemple sous forme de petits morceaux, de grains, ou même éventuellement de poudre.
Si, au contraire, l'action du corps solide sur le métal donne naissance à un corps ga zeux -ou très volatil, des précautions devront être prises pour que la rapidité de la réaction ne soit pas telle qu'elle conduise à une expul sion de métal hors de l'appareil ou même à une explosion. Outre que l'appareil devra être convenablement ouvert pour permettre la sor tie des gaz au fur et. à mesure de leur for mation, deux moyens d'action pourront être mis en ceuvre pour régler l'allure de la réac tion: 1.
Ralentir la rapidité des versements suc cessifs. Mais, dans ce cas., il faut cependant que le versement reste suffisamment éner gique pour qu'il y ait pénétration du corps solide au sein du métal fondu et mouvements de remous de la masse, conditions essentielles pour qu'ils y ait réaction rapide.
2. Introduire périodiquement, par frac tions, les quantités de matières solides en pro portions dosées (à chaque versement par exemple), ou encore sous une forme moins divisée. Il y a, dans ce cas, intérêt à ne pas utiliser de poudre trop fine, celle-ci risquant d'être entraînée partiellement par les gaz qui se dégagent.
Le réglage sera effectué pour chaque trai tement particulier, par des essais préalables. Le procédé faisant l'objet de l'invention est susceptible d'être appliqué dans des condi tions avantageuses dans un appareil du type représenté schématiquement, à titre d'exem ple, au dessin ci-annexé.
L'appareil comprend deux capacités 1 et 2 relativement profondes, réunies l'une à l'au tre bouche à bouche et communiquant entre elles avec ouverture à l'air libre par le moyen d'une embouchure médiane 3. Ces deux capa cités sont constituées par une enveloppe mé tallique 4 pourvue d'un garnissage réfrac- taire 5. L'ensemble est monté sur un axe 6, susceptible de tourner dans des paliers- supports 7 et reçoit un mouvement alternatif d'oscillation au moyen d'un mécanisme mo teur approprié de type connu (non repré senté).
Ce mouvement amène tour à tour cha cune des capacités 1 et 2 dans une position alternativement et respectivement haute ou basse avec une inclinaison suffisante pour que son contenu se précipite énergiquement de la plus grande hauteur possible dans l'au tre capacité. Cet effet peut être facilité en donnant d'abord une vitesse suffisante pour que la force centrifuge maintienne ou tende à maintenir la charge vers le fond de la capa cité qui la contient, puis en faisant décroître brusquement cette vitesse lorsque le fond du récipient va atteindre ou atteint 1e haut de sa course.
On peut parfaitement utiliser un appareil animé non pas d'un mouvement d'oscillation, mais d'un mouvement de rotation à vitesse constante ou au contraire variable comme précisé ci-dessus pour l'appareil oscillant, et dans lequel l'orifice de chargement et de cou lée serait placé dans la partie centrale de l'appareil, le bec de coulée se trouvant dirigé parallèlement à l'axe de rotation, et ménagé, par exemple, dans l'épaisseur d'un tourillon.
On a donné ci-après trois exemples d'ap plications du présent procédé à diverses opé rations métallurgiques.: <B><I>10</I></B> Désoxydatiov <I>du cuivre.</I>
On a introduit dans l'appareil une tonne de cuivre fondu très oxydé contenant 1,1 d'oxygène. On a ajouté en même temps 5 kg de charbon de bois préalablement chauffé et l'on a effectué plusieurs oscillations. A cha que versement, il se produisit un bouillonne ment très actif. On ajouta 800 grammes de charbon de bois toutes les quatre oscilla tions. Au bout de quelques minutes, la te neur en oxygène était tombée à 0,02 %. Le cuivre était resté parfaitement fondu.
<I>20 Désoxydation de l'acier.</I>
On a introduit dans un appareil analogue à celui décrit ci-dessus, trois tonnes d'acier extra doux dont la teneur en oxygène était de<B>0,070%.</B> On a introduit en même temps 12 kg de coke non sulfureux. On fit osciller l'appareil et au bout de deux minutes envi. ron, on obtint. un acier renfermant 0,4% de carbone et dont la teneur en oxygène était tombée à 0,008%ü.
On a. donc pu ainsi, en partant d'un acier extra doux très oxydé, obtenir en très peu de temps un acier mi-dur dont la teneur en oxygène était très basse.
Cet exemple montre que, grâce à la mise en a uvre du procédé, on a pu arriver à réa liser l'équilibre entre le carbone et l'oxygène dans l'acier, équilibre qui n'est jamais atteint dans les fours métallurgiques.
En outre, le rendement du carbone mis en jeu a atteint un chiffre beaucoup plus élevé que ceux que l'on atteint dans la pratique avec les procédés déjà connus.
Rien ne s'oppose par ailleurs, si l'on veut réaliser, au lieu d'un acier au carbone ordi naire, un acier spécial. à ce que l'on ajoute dans l'appareil, de préférence après l'opéra tion, des éléments d'addition à l'état solide ou liquide, tels que silicium, manganèse, chrome. nickel, etc., sous une forme de mé tal ou d'alliage.
<I>30</I> Fabrication <I>de</I> fonte.
On a introduit dans l'appareil, d'une part, trois tonnes d'acier doux liquide provenant d'une opération de convertisseur Thomas. La teneur en carbone de cet acier était de 0,05 % ; on ajouta, d'autre part, 20 kg de coke à faible teneur en soufre.
On donna à l'appareil une série d'oscilla tion... Il se produisit un bouillonnement actif <B>dû</B> à l'action du coke sur l'oxygène dissous dans le métal. Le bouillonnement se ralentit au fur et à mesure que les oscillations se poursuivaient.
On ajouta 20 kg de coke toutes les six oscillations, et, au bout de quelques minutes, on obtint une fonte dont la teneur en carbone était de 3,2 %.
On voit, que, alors qu'une telle carbura tion effectuée dans un four aurait été extrê- mement longue, surtout si l'on avait cherché, comme dans l'application qui vient d'être dé crite, à atteindre des teneurs en carbone re lativement élevées, cette application du pro cédé a permis d'effectuer l'opération en quel ques minutes sans aucun apport de chaleur extérieure et. ceci, en partant d'un acier extra doux suroxydé.
On peut ainsi fabriquer très facilement; et économiquement, en particulier, des fontes non phosphoreuses en partant d'acier Thomas extra. doux.
En arrêtant l'opération plus tôt, on aurait obtenu un acier désoxydé dont. la teneur en carbone aurait. été plus élevée que celle de l'acier de départ et aurait. été réglée par le moment où l'arrêt de l'opération aurait été effectué.
Dans le cas où la température de fusion du métal final est notablement inférieure à celle du métal initial, on peut utiliser des ca lories devenues disponibles par suite des dif férences de température en question. pour augmenter finalement, sans dépense de cha leur extérieure ou sans avoir à développer né cessairement de la chaleur intérieure, le poids du métal initial et cela sans modifier sensi blement sa composition ou en la modifiant dans le sens d'une addition d'élément d'al liage.
A cet #4fet, on ajoute au bain de mé tal, soit au cours de l'opération de traitement par la matière solide, soit à la fin de l'opé ration, c'est-à-dire une fois la transformation du métal initial terminée, des morceaux, frag ments ou déchets de métal ou d'alliage. Grâce au fait que le bain métallique est à une tem pérature supérieure à son point de fusion et grâce également à la rapidité des versements successifs, les éléments ainsi ajoutés se dissol vent rapidement: dans le bain, même s'ils sont introduits froids, et cela sans que le bain se refroidisse au-dessous de la température qu'il doit conserver par son utilisation ultérieure.
On obtient finalement, par récupération des calories en excès qui, autrement, seraient perdues, un poids de métal supérieur à celui du métal initial augmenté de celui de la ma tière solide réagissante qui a passé. dans le métal; par exemple, s'il s'agit de la fabrica tion d'une fonte, un poids de fonte supérieur à celui de l'acier initial augmenté de celui du carbone qui a passé dans la fonte.
La proportion des morceaux ou frag ments de métal ou de déchets ou d'éléments d'alliage qu'il est possible d'incorporer ainsi au bain de métal est importante, pouvant atteindre pratiquement 5 %, et même davan tage, du poids initial du métal, mais elle est naturellement limitée par la quantité de ca lories en excès disponible dans le cycle. Elle dépend aussi de l'état de division dans le quel se trouvent les matières à fondre; par exemple, une mitraille ou ferraille fines ou de la tournure seront susceptibles de se dis soudre très rapidement.
On peut déterminer aisément cette proportion, dans chaque cas, par le calcul ou mieux encore par l'expé- rience. L'intérêt de telles additions métalli ques dans l'appareil spécial mis en oeuvre ré side dans l'utilisation particulièrement écono mique qui est ainsi faite de ces matières et des calories en excès, matières que l'on utilise normalement par fusion au four électrique ou au four Martin, c'est-à-dire avec dépense de calories extérieures.
On peut faire les remarques suivantes au sujet de l'influence de la fréquence ou ca dence des versements successifs et de la fré quence d'introduction par fractions de la ma tière réagissante.
Lorsque l'on fait basculer ou tourner au tour de son axe l'appareil qui produit le brassage du métal liquide et de la matière réagissante solide, le renouvellement des sur faces de contact entre le métal et la matière solide est d'autant plus important au cours d'un temps déterminé que le nombre des ver sements successifs du métal et du solide est plus grand dans le temps en question.
Comme la rapidité de la réaction entre le métal et le solide dépend en grande partie de la rapidité de renouvellement de la. surface de contact en question, l'opération sera terminée d'autant plus vite que la fréquence ou ca dence des versements aura été, elle aussi, plus rapide. On peut en effet se représenter les phéno mènes qui se passent dans chaque versement, de la façon suivante: le métal et le solide sont précipités d'une des chambres ou capacités de l'appareil dans l'autre chambre ou capacité.
En tombant, le métal rencontre tout d'abord le fond de la capacité où il tombe et rejaillit sur les côtés de la capacité pour rebondir et retomber vers le milieu de la capacité. Le so lide entraîné par le métal pénètre sous la sur face de oelui-ci et participe aux mouvements de rejaillissement, de rebondissement et de tourbillonnement du métal.
Les vitesses du métal et du solide sont différentes en raison de leur différence de densité et des rejaillis- sements, qui peuvent être différents, du métal et du solide sur le fond de la capacité et sur ses côtés. La matière .solide, moins dense que le ,métal, tend à être ramenée en surface mais elle reçoit l'impact du métal qui continue à tomber dans la capacité et aussi celui du mé tal qui a rejailli sur les côtés de celle-ci.
Elle est donc entraînée, mais sa vitesse n'est pas forcément, à tout moment, la même que celle du filet de métal dans lequel elle se trouve plongée. D'autre part, il se produit des tour billonnements locaux dans des directions dif férentes de celle que prend le filet de métal, ce qui donne lieu à d'autres différences de vi tesse entre le métal et le solide.
L'idéal serait évidemment, lorsqu'il n'y a pas de danger à le faire, d'entretenir avec le maximum de vitesse relative et de tourbillon nement, 1e brassage du métal et du solide, mais une fois qu'une des capacités s'est vidée dans l'autre, il faut soulever la deuxième capacité pleine de métal et de matière solide et reverser le tout dans la première capacité. Donc une fois que le contenu d'une capacité a entièrement passé dans l'autre, il s'écoule un certain temps avant que la masse ainsi versée puisse être reversée dans la première capacité.
Pendant le temps qui s'écoule pour faire cette opération, il n'y a plus d'impact vertical ou quasi-vertical de métal sur la ma tière solide; il n'y a plus que des tourbillon nements et ceux-ci diminuent rapidement d'intensité. Une fois le versement en question effectué, il y a donc ralentissement du renou vellement des surfaces de contact. On peut dire qu'il y a une sorte de temps mort pen dant lequel la vitesse de la réaction se ra lentit.
On peut réduire ce temps. mort en aug mentant la fréquence ou cadence des verse ments. Plus la fréquence et. la cadence seront rapides, moins il y aura de temps mort et plus l'intensité moyenne du brassage au cours des versements successifs sera élevée.
La cadence des versements successifs est de préférence comprise entre deux et dix ver sements par minute.
Lorsque la matière réagissante donne lieu à une réaction très vive, il peut y avoir ten dance à se produire des phénomènes qu'il con vient d'éviter. Il peut, par exemple, y avoir, par suite de la réaction du métal sur la ma tière réagissante et inversement, un dégage ment de'chaleur élevé par unité de poids des matières en jeu. Il peut y avoir aussi déga gement important de gaz par l'effet de la réaction.
Si dans l'un et 'l'autre cas on charge simultanément toute la matière réagissante et que l'on procède à un versement. violent, le phénomène redouté se produirait parce que le dégagement de chaleur, ou de gaz, instan tané, serait trop grand. Dans le premier cas, l'appareil pourrait être détérioré; dans le deuxième cas les matières en réaction pour raient être expulsées de l'appareil.
C'est pour cela que dans des éventualités comme celles qui sont rappelées ci-dessus il convient d'introduire par fractions la matière réagissante solide dans l'appareil, au cours de versements successifs.
On a intérêt évidemment à fractionner le moins possible la matière réagissante, car chaque fois que l'on veut introduire une frac tion de celle-ci dans l'appareil il faut arrê ter le mouvement de ce dernier, ce qui cause une perte de temps, donc une augmentation des frais de production. On cherchera donc à diminuer le nombre des chargements tout en se mettant à l'abri des phénomènes fâcheux.
Comme, ainsi que nous l'avons vu, la ra pidité de la réaction est fonction du renou- vellement des surfaces de contact entre le mé tal et la matière réagissante, l'on a à sa dis position, par le réglage de la fréquence ou cadence des versements successifs, le moyen de fractionner le moins possible le total de matière réagissante à faire intervenir, sans donner lieu aux phénomènes que l'on aurait lieu de redouter.
Dans ce sens, on fraction nera la matière réagissante de manière te'lde que, pour un versement, le phénomène re douté ne se produise pas, c'est-à-dire, par exemple, que l'appareil ne soit pas détérioré par .la chaleur ou que son contenu ne soit pas expulsé par les gaz formés.
Il faudra laisser s'écouler entre deux versements successifs un temps suffisant pour que la réaction de la fraction de matière introduite dans l'appareil, sur le métal, soit terminée avant de faire un deuxième versement.
Ayant donc versé la fraction maximum compatible avec une bonne marche d'un versement, on ne fera pas le deuxième versement avant que le tourbillon nement, c'est-à-dire le brassage du métal et du solide, ne soit terminé, ou tout au moins suffisamment calmé pour ne pas craindre une mauvaise marche de l'opération. On pourra aussi, avec cette même fraction, faire plu sieurs versements à des intervalles plus grands, jusqu'à ce que l'on puisse, sans dan ger, introduire une nouvelle fraction et pour suivre les versements.
On peut combiner la proportion de chaque fraction de matière réagissante par rapport à la totalité de celle-ci, avec la fréquence des versements, de manière à réaliser dans cha que cas la marche la plus pratique, Il y aura dans ce cas transaction entre le meilleur frac tionnement et la plus grande rapidité de ver sements successifs que permet l'appareil.