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PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES D'ELABORATION DE L'ACIER.
La présente invention est une variante ou un perfectionnement du procédé décrit dans le brevet p@incipal.
La présente invention se rapporte dans son ensemble à un procédé d'élaboration de l'acier et, plus particulièrement, à des perfectionnements apportés aux opérations d'affinage d'un tel procédé.
La présente invention se rapporte à un procédé pour obtenir de leader à faible teneur en phosphore et à faible teneur en azote à partir de fonte dont la teneur en phosphore varie largement; ce procédé consiste: à introduire dans une zone d'affinage à revêtement basique la fonte en fusion, une matière contenant de l'oxyde de fer et un réactif basique contenant de la chaux et formant un laitier, en quantité déterminée à l'avance, suffisante pour l'obtention d'un laitier basique contenant de la chaux et de la silice dans un rapport en poids en pour cent d'au moins 1,5;
à injecter un gaz oxydant dont la teneur en oxygène dépasse environ 21% en volume, sensiblement à la surface du métal, et à mélanger par ce moyen, de façon turbulente, les phases laitier, oxyde de fer et métal, ce qui entralne l'élimination rapide du phosphore hors du métal jusqu'à une quantité ne dépassant pas 0,04% et l'élimination simultanée d'au moins 0,4% de carbone environ, mais laisse environ 1% au moins de carbone dans le métal, le mélange turbulent étant augmenté de manière sensible par les gaz dégagés pendant l'élimination simultanée précitée du carbone et une température opératoire d'environ 1371 C au moins étant engendrée,
ce qui permet d'obtenir à la fois le rapport précité de chaux à la silice dans le laitier et l'élimination du phosphore sensiblement jusqu'au degré nécessaire dans le produit final, tandis que la teneur en carbone du métal n'est pas inférieure à environ 1%; enfin, on continue à injecter ledit gaz dans le métal en fusion jusqu'à ce que la teneur en carbone soit réduite au degré final désiré par oxydation, la chaleur dégagée pendant les réactions exothermiques d'affinage et de formation de laitier constituant la source unique de chaleur pendant le procédé.
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L'affinage de.la fonte en fusion a pour objectif l'élimination, sous forme de gaz ou de composés formant des laitiers, d'impuretés telles que le carbone, le phosphore, le soufre, le silicium et le manganèse.
Les éléments critiques sont le carbone, le phosphore et le soufre, et la souplesse (ou l'intérêt) d'un procédé d'élaboration de l'acier est déterminée dans une grande mesure par le degré auquel l'élimination de ces trois éléments critiques peut être contrôlée. On élimine le carbone en combinant celui-ci avep l'oxygène pour former des oxydes de carbone qui sont éliminés de la zone d'affinage sous forme de gaz. On effectue l'élimination du phosphore par combinaison avec l'oxygène suivie d'une réaction de l'oxyde résultant avec la chaux ou un oxyde basique similaire, tel que l'oxyda de magnésium ou de manganèse, contenu dans le laitier. Le soufre est grandement éliminé par réaction avec la chaux ou un oxyde basique similaire contenu dans le laitier.
On élimine également le manganèse et le silicium par oxydation et incorporation consécutives des composés résultant dans le laitier. Ainsi, on comprendra que les opérations d'affinage primaire comportent 1'oxydation et la formation de laitier et, dans des conditions de réaction appropriées, une chaleur suffisante peut être dégagée par ces réactions pour fournir la chaleur nécessaire au procédé d'affinage.
En plus des impuretés mentionnées précédemment, on peut également citer l'azote et l'hydrogène, étant donné que, sous certaines conditions qui peuvent se présenter au cours du procédé d'élaboration de l'acier, ces éléments peuvent être introduite dans l'acier en quantités nuisibles ou exagérées. On sait maintenant que le contrôle de l'azote et de l'hydrogène dans l'acier final est un facteur important qui détermine le choix d'un pm- cédé d'élaboration de l'acier et les usages permis de l'acier fini.
L'élimination du phosphore peut être réalisée uniquement sous des conditions d'oxydation basique. Ainsi, la majeure partie des procédés d'élaboration de l'acier utilisés aujourd'hui et qui sont capables d'éliminer le phosphore sont: le procédé basique au four électrique, le procédé basique Bessemer et le procédé basique au four Martin. Toutefois, chacun de ces procédés est caractérisé par certaines limitations que l'on a exposées dans le brevet principal.
La présente invention a pour objet: - un procédé d'élaboration de l'acier susceptible de produire un acier à haute teneur en carbone et à faible teneur en phosphore à partir de fonte en fusion à haute ou faible teneur en phosphore; - un nouveau procédé d'élaboration de l'acier dans lequel la presque totalité de la chaleur exigée par le procédé est fournie par la chaleur exothermique de réaction pendant les phases d'affinage et qui permet en même temps d'éviter l'introduction d'azote dans l'acier; - un nouveau procédé d'élaboration de l'acier caractérisé par le développement rapide d'un laitier basique fortement oxydé presque au début de la période d'affinage;
- un procédé d'élaboration de l'acier dans lequel on élimine le soufre plus efficacement et dans lequel on abaisse sa teneur jusqu'à un niveau plus bas que dans les procédés d'oxydation basique connus; - un procédé d'élaboration de l'acier dans lequel il n'est pas nécessaire d'utiliser de source externe de chaleur pour effectuer l'affinage du métal, la chaleur nécessaire étant fournie par les réactions exothermiques d'affinage, et dans lequel on peut décrasser une ou plusieurs fois le laitier.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et qui est faite en se référant au dessin annexé, sur lequel:
La figure 1 est une vue en coupe schématique faite par 1-1 de la figure 2 et montrant les caractéristiques générales d'un type d'appa-
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reil convenant à la mise en oeuvre de la présente invention.
La figure 2 est une vue en plan de l'appareil représenté sur la figure 1.
La figure 3 est une représentation graphique de certaines données expérimentales de la cadence et du degré d'élimination des impuretés dans le procédé.
Sur le dessin, on voit que l'on peut conduire le procédé con- forme à l'invention dans une zone de réaction ou d'affinage délimitée par un récipient 10 de forme générale elliptique ayant une ouverture 11 pratiquée dans la voûte, à sa partie supérieure, et susceptible de basculer ou oscil- ler sur deux supports courbes ou basculeurs 12 pouvant coopérer avec des ga- lets ou des organes analogues. Le récipient 10, qui peut être en acier, comporte, à sa partie inférieure, un revêtement réfractaire basique 13 en une seule masse, par exemple en dolomie calcinée, en magnésie calcinée ou en une autre matière calcinée analogue. Les parties supérieure du réci- pient 10 sont revêtues de briques réfractaires, indiquées en 13', ces bri@ues pouvant être de nature acide ou basique.
Un trou de coulée approprié 14 est prévu sur 19un des côtés du récipient 10 pour l'enlèvement du laitier pen- dant le procédé d'élaboration de l'acier, et une porte de chargement 15 est prévue sur le côté opposé du récipient. Bien que l'on n'ait représenté sur le dessin qu'une seule ouverture pour retirer le laitier, il est bien enten- du que 15'on peut prévoir plusieurs de ces ouvertures, si on le désire. On peut utiliser une source externe de chaleur supplémentaire, telle que deux brûleurs 16 pour maintenir la température des réfractaires entre des chauffes successives et pour réparer ces réfractaires.
Sur la figure 1, le récipient d'affinage 10 contient une charge ou bain de métal en fusion 17 et une couche de laitier surnageante 18, la ligne de séparation entre le métal en fusion et le laitier étant représentée schématiquement par une ligne 19 en traits interrompus. Il résulte de l'explication détaillée ultérieure du procédé que sous les conditions opératoires réelles, le bain de métal peut être turbulent ou agité de manière que les phases métal et laitier ne se séparent pas en couches distinctes.
Pour des raisons que l'on donnera par la suite, la partie supérieure du récipient 10 d'affinage est pourvue de plusieurs conduits d'injection réglables ou tuyères 20 traversant les parois du récipient pour aboutir dans la zone d'affinage. L'extrémité extérieure de chacune des tuyères 20 est reliée, par un raccord approprié ou autre dispositif d'accouplement approprié, à un tuyau flexible 21 qui communique avec une source d'oxygène sous pression. Chacune des tuyères est organisée pour permettre le réglage de sa position ainsi que le degré selon lequel elle pénètre dans le récipient 10, suivant le niveau de liquide qui s'y trouve.
Il est bien évident que les figures 1 et 2 du dessin ne sont que des représentations schématiques des caractéristiques générales de l'ap- pareillage approprié à la mise en oeuvre du procédé d'élaboration de l'acier conforme à l'invention. En d'autres termes, le dessin a simplement pour but d'aider à mieux comprendre les phases du procédé et ses moyens généraux et ne signifie nullement que le récipient et l'organisation particuliers représentés constituent la seule réalisation industrielle convenable. Comme on le verra à la lecture de la description détaillée du procédé, un appareil approprié pour mettre en oeuvre la présente invention comporte nécessairement les caractéristiques générales représentées sur le dessin ou leur équivalent.
Par exemple le récipient de réaction ou d'affinage servant à la mise en oeuvre du procédé doit comporter un revêtement réfractaire basique, une ouverture pour l'échappement des fumées et des gaz, un dispositif pour introduire de l'oxygène dans le bain liquide, un dispositif de décharge approprié pour décharger le laitier et le métal fini et, de préférence un dispositif pour raire basculer le récipient afin de faciliter cette décharge.
Lors de la mise en oeuvre du procédé, on peut introduire la fonte en fusion dans le récipient 10 par la porte 15 , en même temps qu'une ma-
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tière formant un laitier basique, telle que le carbonate de chaux ou castine, et une matière contenant un oxyde de fer tel que le minerai de fer, du travertin ou des battitures de laminage. La castine et la matière contenant de l'oxyde de fer peuvent être chargés simultanément avec le métal liquide ou immédiatement après, mais la demanderesse préfère introduire d'abord la pierre à chaux et la matière contenant de l'oxyde de fer solides dans la zone d'affinage et verser ensuite la fonte en fusion sur les matières brutes solides pour faciliter le mélange et la répartition des réactifs, ce qui permet d'accélérer les réactions d'affinage.
Bien que la castine constitue la matière préférée formant un laitier basique, on peut également utiliser d'autres oxydes basiques ou d'autres substances basiques susceptibles de donner des oxydes basiques, par exemple l'oxyde de magnésium, l'oxyde de manganèse ou des mélanges de laitier préparés. Afin d'éviter un refroidissement exagéré de la fonte en fusion chargée, il est désirable que le revêtement réfractaire 13 soit préchauffé à une température élevée au moyen des brûleurs 16 ou que le récipient soit chargé, tandis qu'il est encore chaud d'un chaif- fage antérieur.
Immédiatement après le chargement du métal en fusion dans le récipient 10, on introduit un gaz oxydant contenant une concen tration relativement élevée d'oxygène libre, au moyen des tuyères 20. On règle la position des tuyères 20 (autant que le permettent les caractéristiques de fonctionnement et de réalisation) pour injecter le gaz oxydant sensiblement à la surface du métal, ce qui permet d'obtenir un contact direct entre l'oxygène libre et le métal en fusion et d'obtenir ainsi un rapide transfert de l'oxygène au métal. Dans la plupart des cas, la demanderesse préfère que les extrémités de sortie des tuyères s'étendent au-dessous de la surface du laitier contenu dans la zone d'affinage en vue d'injecter l'oxygène libre sensiblement à la surface de la couche de métal ou au voisinage de cette surface.
Cependant, on envisage également de placer les extrémités de sortie des tuyères 20 légèrement au-dessus de la surface du laitier contenu dans la zone d'affinage, la distance des tuyères au-dessus de la surface étant telle que le courant de gaz oxydant passant par les tuyères chasse ou repousse la couche de laitier surnageante de manière que l'oxygène libre vienne en contact direct avec le métal en fusion.
Bien que la demanderesse préfère utiliser de l'oxygène libre non dilué de qualité du commerce, il entre également dans la portée de l'invention d'utiliser de l'oxygène dilué avec d'autres gaz tels que l'air ou des gaz inertes. Dans de tels cas, on préfère que le courant de gaz oxydant contienne une concentration relativement élevée d'oxygène libre, et par l'expression "gaz à teneur élevée en oxygène", que l'on utilisera par la suite, la demanderesse entend un gaz dont la teneur en oxygène dépasse la teneur normale en oxygène de l'air, c'est-à-dire une teneur supérieure à environ 21% en volume.
Une caractéristique importante de la présente invention réside dans le fait que la chaleur requise par le procédé est fournie presque entièrement par la chaleur exothermique de la réaction, dégagée pendant l'affi- nage de la fonte en fusion. Etant donné que le procédé n'envisage pas ou ne nécessite pas de source de chaleur externe pendant la phase d'affinage, il est emportant que l'introduction de l'oxygène dans la zone d'affinage commence aussitôt que possible après que le récipient a été chargé, en vue de maintenir le niveau de température nécessaire.
Lorsque la fonte en fusion est ainsi mise en contact avec l'oxygène libre ou avec l'oxygène provenant de l'oxyde de fer chargé initialement sous forme de matière première, une grande partie du silicium, du manganèse et du phosphore contenus dans le fer est rapidement oxydée pour former les oxydes correspondants en même temps qu'il se produit une oxydation simultanée d'une partie faible mais déterminée du carbone. Les oxydes de silicium, de manganèse, de phosphore et de fer en même temps que la chaux provenant de la castine chargée sont ensuite incorporés dans un laitier oxydé contenant la plus grande partiedu phosphore et la presque totalité du si-
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licium et du manganèse.
Si on le désire, on peut extraire la plus grande partie du laitier à ce moment, de préférence en faisant basculer le récipient
10 pour évacuer le laitier par le trou de coulis 14.
L'une des caractéristiques importantes du procédé réside dans la formation de laitier. Dans le procédé classique Martin basique,le lai- tier initial formé pendant la fusion a une teneur élevée en oxyde de fer et, en conséquence, peut être très corrosif pour la dolomie ou la magnésie cal- cinée des piédroits et de la sole du four:, ce qui a pour résultat que l'oxy- de de calcium et l'oxyde de magnésium des réfractaires du four peuvent être dissous. Dans le procédé usuel de chauffe au four Martin utilisant du riblon classique et du métal chaud, aucune quantité appréciable de castine ne s'in- troduit dans la coucha de laitier tant que la plus grande partie des riblcn s solides chargés n'est pas fondue et la période d'"ébullition" de la chaux est tout à fait négligeable.
Evidemment, par suite, la dissolution de la chaux contenue dans le laitier formé après addition du métal chaud est for- tement retardée par le temps demandé pour effectuer la fusion complète des riblons chargés. En outre, on a constaté que dans le procédé classique ba- sique au four Martin, les morceaux de castine partiellement calcinée qui passent dans le premier laitier tendent à se recouvrir d'une coquille pro- tectrice dure, constitua principalement de silicate dicalcique. Cette co- quille ou revêtement réfractaire retarde la dissolution de la castine dans le laitier et empêche également la pénétration rapide des constituants du laitier fondant dans les morceaux de castine. Il en résulte que la vitesse à laquelle la chaux se dissout dans les laitiers initiaux Martin et en forme un constituant actif est relativement faible.
En général, une dissolu- tion sensible de la chaux ne s'accomplit pas tant que l'on n'a pas effectué d'addition dans le four de spathfluor et de minerai. Ces additions semblent avoir un effet général adoucissant ou dissolvant sur les morceaux de castinece qui fait qu'ils disparaissent finalement dans un laitier lourd et spongieux, modérément basique.
Dans le procédé conforme à la présente invention, une grande proportion de la castine chargée s'élève presque Immédiatement à la surface du métal en fusion. Au début., une grande partie de la castine n'est pas calcinée et est impénétrée par les constituants du laitier, et les oxydes de silicium.,de manganèse et de phosphore, qui se forment comme on l'a décrit, constituent le laitier initial avec l'oxyde de fer et la chaux. Cependant, le mélange turbulent des phases laitier, oxyde de fer et métal est obtenu rapidement et il se développe des températures élevées localisées ainsi qu'une atmosphère fortement oxydante lors de l'Introduction d'oxygène gazeux dans le bain, ce qui a pour résultat une calcination rapide de la castine et une dissolution rapide de la chaux résultante dans le laitier.
On peut régler la quantité de chaux dissoute dans le stade initial du procédé simplement en chargeant des quantités contrôlées de castine. De cette manière, la fluidité du laitier initial aussi bien que sa teneur en phosphore peuvent être réglées.
Dans la technique d'élaboration de l'acier, le procédé usuel consiste à exprimer la basicité de la masse fluide du laitier par le rapport (que l'on désigne généralement par rapport ou valeur V) de la chaux à la silice. Lorsque ce rapport est au-dessus d'un certain niveau plus ou moins critique, habituellement voisin de 2, l'élimination du soufre se produit, l'élimination du phosphore se fait plus complètement et le phosphore tend moins à repasser du laitier dans l'acier. Par suite, une caractéristique importante du procédé conforme à l'invention réside dans le fait qu'il permet d'obtenir rapidement un laitier dont le rapport en poids de la chaux à la silice est d'au moins environ 1,5% et, de préférence, d'au moins envircn 2.0%.
Dans le procédé classique au four Martin basique, il n'est généralement pas possible d'obtenir un laitier ayant ce degré de basicité avant que le carbone n9ait été éliminé à un degré appréciable, par exemple pas avant que la teneur en carbone du métal ait été abaissée en dessous d'environ 1.25%. Dans le présent procédé, d'autre part, la demanderesse peut effectuer une introduction rapide et substantielle du phosphore dans le laitier et,
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en même temps,elle peut obtenir un laitier suffisamment basique avant que la teneur en carbone du métal soit réduite à un faible niveau, par exemple au moins avant qu'elle ne tombe au-dessous d'environ 1% et, dans la plupart des cas, avant qu'elle ne tombe au-dessous d'environ 2%, pour retenir pratiquement la totalité du phosphore éliminé pendant le reste de la phase d'affinage.
De cette manière, on réduit au minimum le passage du phosphore de la scorie dans le métal. En général, grâce au procédé objet de l'invention, on peut facilement obtenir un laitier ayant un rapport en poids de la silice à la chaux d'au moins 1.5% environ, tandis que la teneur en carbone du bain de métal est sensiblement supérieure à 1% environ; la demanderesse obtient, de préférence, un rapport en poids entre la chaux et la silice d'au moins 2,0% environ, tandis que la teneur en carbone du métal est sensiblement supérieur à 2% environ.
Il est bien entendu que, pour une formation rapide d'un laitier fortement basique, comme on l'a déjà mentionné, il est nécessaire de charger la castine ou autre réactif formant un laitier dans le procédé en une quantité prédéterminée suffisante pour donner le rapport V élevé spéci- fié lorsque la chaux qu'il contient a été dissoute dans la phase laitier.
Evidemment, la quantité particulière de réactif formant le laitier qui doit être chargée dans n9importe quel cas donné dépend d'un certain nombre de facteurs tels que la teneur en chaux dudit réactif, la teneur en silice du fer, le processus d'élimination du laitier utilisé et de la nature du. revêtement du four. Toutefois, tout technicien de l'élaboration de l'acier connaissant l'ordre des opérations à utiliser, la composition des matières premières et le type du four, n'éprouvera pas de difficulté pour déterminer la quantité de réactif formant le laitier qu'il doit utiliser pour toute température donnée en vue d'obtenir le rapport V désiré dans le laitier.
Ainsi, on verra que le procédé de la demanderesse est caractérisé par l'obtention rapide d'un latier fortement basique et fortement oxydé tout au début de la période d'affinage, tandis que la teneur en carbone est encore à un niveau relativement élevé. On peut attribuer la formation rapide ce laitier (1) à la disponibilité plus grande de la castine dans la phase laitier à la suite de l'effet du mélange physique et de la turbulence créés dans le bain, et (2) a la cadence plus rapide de la dissolution de la chaux dans la phase laitier grâce aux températures élevées localisées et à 1'atmosphère fortement oxydante qui sont engendrées lors de la mise en contact direct de l'oxygène libre avec le métal, de la manière décrite.
En outre., les effets combinés de la turbulence créée dans le bain et des conditions de température locale élevée tendent à réduire au minimum la formation de l'enveloppe de silicate dicalcique mentionnée autour des morceaux individuels de castine et à pallier les effets nuisibles de cette enveloppe, ce qui. facilite encore la dissolution rapide de la chaux dans le laitier.
Le mélange turbulent désiré des phases laitier, oxyde de fer et métal dans le procédé résulte de deux effets en relation mutuelle.
Tou d'abord, l'injection d'un gaz contenant de l'oxygène vers le bas au-dessous de la surface du bain est la cause d'un certain degré d'agitation locale due à l'effet mécanique de l'injection du gaz. Cependant, l'injection de l'oxygene effectuée de cette manière amène de rapides réactions carboneoxygène dans le bain, avec dégagement résultant de produits d'oxydation gazeux en quantités abondantes. Une caractéristique de la réaction carboneoxygène est que l'oxyde de carbone gazeux se forme sur les côtés et à la partie inférieure du bain et que les gaz s'échappent vers le haut entraversant le bain, ce qui fait qu'il se produit une turbulence et un mélange parfaits qui augmentent de façon importante la turbulence mécanique immédiate et l'agitation qui découlent directement du mode d'injection de l'oxygène.
En d'autres termes, la condition hautement turbulente du bain qui caractérise le procédé est due (1) à l'effect direct et principalement local de l'injection d'oxygène per se, et (2) au dégagement des oxydes gazeux du carbone qui entra$.ne une turbulence élevée dans le bain entier. Le degré élevé de
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turbulence a pour résultat que la chaux chargée dans le procédé est rapide- ment disponible pour sa dissolution dans la phase laitier et la dissolution rapide désirée est encore favorisée par les températures de réaction élevées localisées et par l'atmosphère fortement oxydante qui règne dans les zones où l'on injecte l'oxygène.
Le degré élevé de turbulence du bain., qui est essentiel dans le procédé conforme à l'invention, nécessite une élimination rapide d'une certaine proportion du carbone hors du métal en même temps que l'élimination rapide du phosphore jusqu'à la quantité maximum habituellement mentionnée dans les spécifications relatives à l'acier, de manière à obtenir les avan- tages combinés de l'agitation mécanique, due au mode d'injection de l'Qxy- gène, et l'effet de mélange violent produit par le dégagement des oxydes ga- zeux du carbone.
Par exemple., le procédé conforme à l'invention réalise l'élimination rapide du phosphore hors du métal en une quantité ne dépas- sant pas 0,04% et l'élimination simultanée d'au moins 0,4% environ de car- bone, mais il laisse au moins environ 1% de carbone dans le métal, quantité qui est supérieure à la teneur habituelle désirée finale en carbone. Le de- gré élevé résultant de turbulence du bain facilite la dissolution rapide dé- sirée de la chaux dans le laitier, comme on l'a décrit, ce qui fait que le procédé de la demanderesse ne dépend pas de mécanismes de diffusion relativement lents.
Au contraire, les cadences de réaction d'affinage du procédé de la demanderesse sont rapides et le temps d'affinage est relativement court, par exemple d'environ 1/2 à 3 heures, par rapport à la période de temps beaucoup plus longue demandée pour produire un produit comparable par le procédé classique au,four Martin. En outre, l'injection de l'oxygène et la condition hautement turbulente du bain dans le procédé conforme à l'invention ont pour résultat de permettre le développement rapide d'une température d'au moins 1371 Co environ, ce qui fait que le procédé tire avantage de l'intérêt d'une température élevée en ce qu'elle favorise une dissolution rapide de la chaux dans le laitier et assure une élimination rapide du phosphore.
Comme on 1'a déjà décrit, la rapidité de l'élimination du phosphore et la formation d'un laitier basique au cours du présent procédé peuvent être mises en évidence plus spécialement par le fait que l'on obtient à la fois un rapport en poids de la .chaux par rapport à la silice dans le laitier d'au moins 1,5% environ et l'élimination du phosphore sensiblement jusqu'au degré exigé dans le produit final, tandis que la teneur en carbone du métal n'est pas inférieure à environ 1%. Dans le mode opératoire préféré, on obtient un rapport chaux: silice d'au moins 2 environ ainsi que l'élimination du phosphore au degré désiré, tandis que la teneur en métal du carbone n'est pas inférieure à 2% environ.
Plusieurs résultats très importants sont la conséquence de la formation très rapide d'un laitier fortement basique et fortement oxydé.
Tout d'abord, la production rapide d'un laitier basique fortement oxydé est la cause de l'élimination et de la retenue de la presque totalité du phosphore, tandis que la teneur en carbone du métal est encore à un niveau relativement élevé. Par exemple, comme on le verra par la suite, à propos de l'exemple particulier, une élimination effective du phosphore à un niveau très faible peut être accomplie, tandis que la teneur en carbone du métal est sensiblement supérieure à 2%. Dans le procédé classique basique au four Martin, l'obtention d'un laitier ayant une basicité suffisante pour retenir le phosphore éliminé demande un laps de temps sensiblement plus grand en raison de la cadence beaucoup plus lente de la dissolution de la chaux dans le laitier.
Par suite, il est fastidieux et souvent difficile de produire un acier à haute teneur en carbone et à faible teneur en phosphore par la technique au four Martin basique. Un autre résultat important du rapide développement d'un laitier basique dans le procédé conforme à l'invention réside dans le degré inhabituellement efficace de l'élimination du soufre quand on effectue la comparaison avec le procédé classique basique au four Martin. Un autre avantage résultant du développement rapide d'un laitier basique dans le présent procédé réside dans le fait que l'action corrosive sur le revêtement réfractaire du récipient d'affinage est grandement
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réduite.
A la suite de l'addition de la fonte en fusion dans le procédé cl as- sique au four Martin basique, il se forme un laitier initial qui a une teneur élevée en silice et est, par conséquent, corrosif vis-à-vis du revêtement basique. En conséquence, il existe un laps de temps sensible dans le procédé classique au four Martin basique, pendant lequel un laitier acide initial est en contact avec le revêtement réfractaire du récipient. Dans le procédé de la demanderesse, l'obtention rapide du laitier basique élimine sensiblement cette source d'action corrosive sur le revêtement réfractaire.
L'élimination de la plus grande partie du phosphore de la presque totalité du silicium et du manganèse et d'une partie du carbone ayant été achevée pendant l'obtention du laitier basique précité, l'introduction d'oxygène par les tuyères se poursuit jusqu'à ce que la teneur en carbone du métal soit réduite au degré final désiré. Les oxydes gazeux qui se forment pendant l'oxydation du carbone sont évacués par l'ouverture 11 pratiquée dans la voûte. On peut charger de la castine supplémentaire dans le récipient, à un stade intermédiaire du procédé, si on le désire, afin de faciliter l'élimination du soufre et du phosphore résiduel. En raison de la dissolution rapide de la chaux en présence d'oxygène, comme on l'a décrit précédemment, il se produit une réaction relativement rapide entre le soufre et la chaux.
Une telle élimination du soufre est également favorisée par l'absence de soufre dans l'atmopshère de la zpne d'affinage.
Lorsqu'on a atteint une teneur finale désirée en carbone, les réactions d'affinage comprenant l'élimination du silicium, du phosphore, du soufre et du carbone sont effectuées au degré désiré et une température appropriée à la coulée est atteinte. On peut alors enlever l'acier en fusion en le coulant par une ouverture de décharge, telle que le trou de coulée 14. Avant cet enlèvement, on peut régler la composition du métal,, si on le désire, par des additions conformes aux techniques classiques bien connues.
Dans la plupart des cas, on extrait un seul laitier contenant du phosphore en un point intermédiaire du procédé d'affinage. Evidemment, à la fin de l'opération d'affinage, on enlève habituellement un laitier de coulée au moment où l'on décharge l'acier fini du récipient. Toutefois, une caractéristique importante de la présente invention réside dans le fait que, dans le cas où la teneur en phosphore des matières premières est plus élevée qu'à l'habitude, on peut retirer un ou plusieurs laitiers supplémentaires contenant des laitiers pour assurer l'élimination du phosphore jusqu'à ce que sa teneur soit faible. Dans ce cas, il est souvent désirable de charger de la castine supplémentaire dans le récipient quand on désire retirer plus d'un laitier pendant le procédé.
Dans certaines conditions, on peut charger quelques riblons d'acier avant la fonte en fusion. Une fois que l'opération d'affinage est en cours, on peut effectuer d'autres additions de riblons d'acier en quantités contrôlées dépendant de la température du métal liquide. En d'autres termes, on peut ajouter des riblons d'acier chaque fois que la température du bain est suffisamment élevée pour pouvoir supporter l'effet de refroidissement de l'addition des riblons. On peut exercer un autre contrôle de l'addition permissible de riblons en réglant la proportion d'oxygène dans le gaz contenant de l'oxygène introduit dans la zone d'affinage.
Un avantage supplémentaire du procédé de la demanderesse en ce qui concerne les matières premières que l'on peut utiliser réside dans le fait que l'on peut prendre des proportions fortement variables de minerai de fer ou d'une autre matière contenant de l'oxyde de fer, ce qui permet une réduction directe du minerai et une récupération directe de fer métallique sous forme d'un acier utilisable.
D'autres avantages importants du procédé conforme à l'invention, comme on vient de le décrire, résident dans le fait que le procédé est capable d'éliminer de façon efficace de grandes quantités de phosphore et de soufre. Comme on l'a déjà dit, le procédé classique au four Martin basi-
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que est limité quant à la quantité de phosphore qui peut être éliminée sous des conditions opératoires optima, le résultat étant que, pour élaborer tous les types d'acier dans le procédé au four Martin, la teneur en phosphore de la fonte doit être inférieure à 0.4% environ.
Le procédé Bessemer basique, bien que pouvant éliminer une proportion considérable de phosphore, demande une charge élevée de phosphore et ne permet généralement pas l'élimination du phosphore jusqu'à un niveau bas (par exemple au-dessous de 0,020%) parce que, dans des conditions opératoires dans un four Bessemer basique, il ne se produit pas une élimination appréciable du phosphore, tandis que la teneur en carbone du bain de métal est élevée, par exemple supérieure à 0,15%.
Dans les conditions nécessaires pour obtenir une élimination acceptable du phosphore, une quantité considérable d'azote est également recueillie pen- dant le soufflage du métal. Grâce à la présente invention, on peut affiner de la fonte ayant une teneur en phosphore variant largement pour obtenir un produit ayant une teneur en phosphore et en azote beaucoup plus faible que celle habituellement obtenue par le procédé Bessemer basique et qui est habi- tuellement supérieur au produit obtenu dans le procédé classique au four Martin basique.
Un autre avantage du procédé réside dans le fait que le gaz oxydant introduit dans la zone d'affinage peut être sensiblement exempt d'humidité ou de toute autre substance qui peut fournir de l'hydrogène au métal en fusion. Ainsi, la valeur du procédé conforme à l'invention peut encore être augmentée par une teneur du produit relativement faible en hy- drogène.
Un avantage absolument inattendu de l'invention résiqe dans le fait que le soufre peut être éliminé par le procédé à un niveau beaucoup plus faible que celui qu'il était possible d'atteindre jusqu'à présent dans les procédés classiques basiques d'oxydation. Par exemple, le soufre est éliminé à un certain degré dans le procédé au four Martin basique et dans le procédé Bessemer basique, mais la teneur en soufre du produit final est rarement inférieure à 0,025%. Dans le procédé conforme à la présente in- vention, cependant, la demanderesbe est susceptible d'obtenir un acier ayant une teneur en soufre uniformément basse, par exemple de l'ordre de 0,02% et moins.
La demanderesse attribue le degré supérieur d'élimination du soufre à plusieurs facteurs. Tout d'abord, l'absence de système de chauffage externe, pour fournir la chaleur nécessaire au procédé d'affi- nage par la combustion d'un combustible contenant du soufre, évite l'in- troduction, dans l'acier, de soufre provenant de cette source. En outre, en effectuant le contact direct du bain de métal avec les gaz à teneur élevée en oxygène,la demanderesse augmente fortement l'éventualité d'une oxydation directe du soufre contenu dans le métal pour former des oxydes gazeux de soufre que l'on peut éliminer par l'ouverture de la voûte du ré- cipient d'affinage.
Etant donné que la pression partielle du soufre ou des gaz contenant du soufre dans l'atmosphère s'exerçant sur la zone d'af- finage est très faible ou négligeable, la tendance à une oxydation directe du soufre est encore facilitée. Peut être le facteur le plus significatif auquel est dû le degré excellent d'élimination du soufre est-il le rapide développement d'un laitier basique dans la zone d'affinage comme on l'a dé- crit ci-dessus.
Une autre caractéristique importante du procédé conforme à l'invention réside dans le fait de prévoir l'enlèvement de plus d'un laitier, quand on le désire, pendant le stade d'affinage. Comme on l'a représenté sur le dessin, le récipient d'affinage du procédé conforme à l'invention est de préférence monté de manière à pouvoir basculer afin de faciliter l'enlè- vement du laitier. En raison du cas dans lequel le laitier est enlevé, il n'est pas nécessaire de compter sur une action apparente vigoureuse "d'ébul- lition" dans le bain pour chasser le laitier initial de la zone d'affinage.
Lorsque la teneur'en phosphore de la fonte chargée initialement est faible, il est possible d'obtenir un produit satisfaisant sans enlever le laitier
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intermédiaire. Lorsque la teneur en phosphore dans la fonte chargée initialement est modérée, l'enlèvement d'un seul laitier à un stade intermédiaire de l'opération d'affinage suffit habituellement pour obtenir un produit à basse teneur en phosphore. Toutefois, des charges de fonte à teneur élevée en phosphore peuvent également être facilement traitées et on peut extraire deux laitiers contenant du phosphore ou davantage dans de tels cas pour assurer le degré désiré d'élimination du phosphore. En outre, la formation et l'enlèvement de plus d'un laitier basique augmente l'élimination du soufre hors du métal liquide.
Dans le procédé conforme à l'invention, la température est principalement contrôlée par le réglage de la cadence de l'addition d'oxygène et également en réglant la teneur en oxygène des gaz introduits par les tuyères ou par d'autres dispositifs d'injection. La quantité d'oxygène ainsi fournie doit être suffisante pour oxyder les diverses impuretés afin d'obténir le degré désiré d'élimination des impuretés et doit également être surfisante pour fournir la chaleur nécessaire pendant le stade d'affinage. Un moyen auxiliaire de contrôler la température consiste à ajouter des riblons, comme on l'a déjà décrit, et également à ajouter du minerai de fer. L'addition de castine-de temps à autre exerce, bien entendu, un certain effet sur la température,mais ces additions ont d'autres buts que le contrôle de la température.
En raison du fait que le gaz oxydant est introduit à la surface du bain de métal ou près de celle-ci, la possibilité d'introduire des quantités anormales d'azote dans l'acier est réduite au minimum, même lorsqu'on utilise de l'oxygène dilué avec de l'air, en raison du fait qu'il y a moins de raison pour que l'acier absorbe l'azote. Le procédé conforme à l'invention procure un avantage distinct par rapport aux techniques Bessemer classiques.
En outre, la turbulence engendrée dans le bain de métal favorise des taux de réaction rapides, ce qui augmente fortement le rendement du procédé, comparativement au procédé classique au four Martin dans lequel à la fois la vitesse de réaction et la cadence de production sont relativement lentes en raison du temps nécessaire au transfert de la chaleur et des réactifs au sein du système hétérogène laitier-métal-gaz se trouvant dans la zone d'affinage.
Si on le désire, il entre également dans le cadre de l'invention d'introduire le minerai de fer en poudre et/qu la castine sous forme de suspension dans l'oxygène gazeux fourni aux tuyères. 'Cette façon d'introduire le minerai de fer ou la castine permet un mélange rapide et intime des matières ajoutées au métal en fusion, ce qui augmente encore les cadences de la réaction d'affinage. Dans le procédé classique au four Martin, on a constaté qu'il est souvent nécessaire de soumettre le minerai de fer ou les concentrés de minerai de fer qui sont souvent disponibles, sous forme finement divisée, à une phase d'agglomération, habituellement par frittage, avant de charger le minerai dans le four Martin.
Cependant, en fournissant du minerai de fer sous forme de poudre ou sous forme finement divisée,, en suspension dans l'oxygène gazeux, la demanderesse est à même de supprimer les phases d'agglomération ou de frittage, ce qui permet d'obtenir un avantage sensible au point de vue économique. Ainsi, cette caractéristique du procédé permet une transformation directe du fer (contenu dais un minerai de fer ou dans une autre matière contenant du fer à l'état finement divisé) en un acier utilisable. En introduisant la castine dans le bain, en suspension dans l'oxygène gazeux que l'on y introduit, la cadence de dissolution de la chaux dans la phase laitier est encore augmentée, ce qui- contribue encore à la production rapide d'un laitier basique fortement oxydé dès le début du procédé.
En outre, l'introduction de minerai de fer ou castine en poudre de la manière déjà décrite constitue un procédé supplénental- re de contrôle du bain, commode et efficace.
A titre d'illustration des résultats que l'on peut obtenir par le procédé que l'on vient de décrire, on donne les chiffres suivants cb-
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tenus par des expériences,étant bien entendu, cependant, que ces chiffres sont donnés uniquement à titre indicatif et non limitatif.
On utilise un creuset en magnésie de 45 kg dont la composition chimique est la suivante Mg = 88,1%; SiO2 = 5,0%; R2O3 = 3,8%; CaO = 3,1%.
Après un chauffage préalable, on charge le creuset avec 0,900 kg de morceaux de 25,4 mm de castine préchauffée à 482 C. On recouvre la castine avec 1,360 kg de minerai de fer fritté préchauffé à 927 C. et on recouvre la couche de minerai avec 1,360 kg de riblons en plaques préchauf- fés à 927 C. On verse ensuite 22,680 kg de fonte en fusion dans le four, à une température d'environ 1.427 C.
Immédiatement après l'addition de la fonte en fusion, on com- mence à introduire de l'oxygène non dilué au-dessous de la surface du bain de métal en utilisant une tuyère comportant un conduit de 3,17 mm et on con- tinue à fournir de l'oxygène de manière presque continue pendant tout le chauf- fage, sauf que l'on interrompt cet envoi pendant de courts moments pour pré- lever des échantillons, pour enlever le laitier et pour remplacer la tuyère d'oxygène. La pression d'oxygène, à la source, est de 1,40 kg/cm (rel.) et le débit est d'environ 0,14 m3 par minute. Le temps total de chauffage est d'environ 31 minutes et la quantité totale d'oxygène introduite est d'en- viron 2,8 m3.
A deux reprises, pendant la première moitié du chauffage, on retire un laitier surnageant et on ajoute, à chaque fois, 0,900 kg de casti- ne, tout de suite après. En outre, on prélève des échantillons du bain de métal en vue de son analyse au début du chauffage et également à des inter- valles de temps approximativement égaux pendant le chauffage.
On se référera maintenant à la figure 3 du dessin, sur la- quelle les modifications chimiques qui interviennent dans le métal sont re- présentées graphiquement. Dans ce graphique, l'axe des x représente le temps en minutes s'écoulant après addition du métal fondu. Les ordonnées y, y' et y" représentent respectivement le pourcentage de soufre, le pourcentage de phosphore et le pourcentage de carbone, manganèse et silicium. a et a' désignent les affleurements, et b et b', les charges ou additions (2 livres chaque fois) de calcaire. c indique la coulée. On peut voir en considérant ces cour- bes que le phosphore est éliminé rapidement du métal en fusion, la teneur en phosphore du bain étant réduite à 0,015%, tandis que la teneur en carbone est encore bien au-dessus de 2,0%.
De,manière analogue, le manganèse et le silicium sont éliminés jusqu'à une teneur très basse, dès le début de la réaction. L'élimination du carbone à un niveau exceptionnellement bas s'accomplit également pendant la période relativement courte de chauffage.
Un résultat absolument inattendu et extrêmement important résidu dans le fait qu'un pourcentage de soufre exceptionnellement grand est éliminé pendant le chauffage. La teneur en soufre qui était de 0,034% clans le métal initial est abaissée à 0,014% dans le bain final.
En outre,l'acier final obtenu a une teneur en azote d'en- viron 0,002%, ce qui constitue une valeur exceptionnellement faible même pour un acier Martin classique.
Les courbes de la figure 3 démontrent clairement que, par le procédé conforme à l'invention, on peut réduire la teneur en phosphore à une valeur faible, tandi.s que la teneur en carbone du métal est encore très éle- vée. Ces courbes montrent également la supériorité remarquable du procédé conforme à l'invention quand on le compare au procédé classique au four Mar- tin, en ce qui concerne l'élimination rapide du soufre. Comme on l'a déjà expliqué, on suppose que cette élimination rapide et efficace du soufre est due à la dissolution extrêmement rapide de la chaux dans la phase laitier, au maintien d'une atmosphère sensiblement exempte de soufre et aussi au main- tien des conditions qui mènent à l'oxydation directe du soufre par l'oxygène
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libre.
Un examen soigneux des relations de températures pendant l'essai montre qu'il est hors de doute que l'utilisation de l'oxygène fournit un excès déterminé de chaleur par rapport à la chaleur nécessaire dans le procédé. La température du métal est élevée de 1427 C. à une température de-coulée d'environ 16200C. pour l'acier final. En conséquence, on peut facilement adapter le procédé à l'utilisation de quantités sensibles de riblons ou de minerai de fer. En outre, on peut encore obtenir un contrôle supplémentaire- de-la température par la dilution et le contrôle du courant d'oxygène gazeux.
Un examen du creuset à la fin du chauffage montre qu'il est sensiblement non attaqué.
REVENDICATIONS.
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1. Perfectionnement ou modification apportée au procédé d'élaboration d'acier à basse teneur en azote et en phosphore, à partir de fontes ayant une teneur en phosphore pouvant varier largement, faisant l'objet du brevet principal belge nP 497.417 qui consiste: à introduire, dans une zone d'affinage à garniture basique, la fonte en fusion, une matière contenant de l'oxyde de fer, une quantité prédéterminée d'un réactif formant un laitier basique contenant de la chaux, cette quantité étant suffisante pour donner un laitier basique contenant de la chaux et de la silice dans une proportion en poids d'au moins 1,5% environ;
à injecter un gaz oxydant, dont la teneur en oxygène est supérieure à environ 21%, en volume, sensiblement à la surface du métal, grâce à quoi les phases laitier, oxyde de fer et métal sont mélangées par turbulence, ce qui a pour conséquence une élimination rapide consécutive du phosphore hors du métal jusqu'à une quantité ne dépassant pas 0,04% et l'élimination simultanée d'au moins 0,4% de carbone mais laissant au moins 1% de carbone dans le métal, ce mélange turbulent étant sensiblement augmenté par les gaz dégagés pendant ladite élimination simultanée du carbone et une température opératoire non inférieure à 1371 C étant engendrée,
ce qui permet d'obtenir à la fois ledit rapport de la chaux à la silice dans le laitier et l'élimination du phosphore sensiblement au degré nécessaire dans le produit final, tandis que la teneur en carbone du métal n'est pas inférieure à 1%; enfin, à continuer l'injection dudit gaz dans le métal en fusion jusqu'à ce que la teneur en carbone soit ramenée à la valeur finale désirée par oxydation, la chaleur dégagée pendant les réactions exothermiques d'affinage et de formation du laitier constituant la seule source de chaleur au cours du procédé.