La présente invention concerne un poche pour le traitement des métaux en fusion par insufflation de gaz au sein du bain de fusion en vue,, plus particulièrement, de brasser ce bain de manière à renouveler activement les surfaces de contact entre les éléments composant ce bain et afin notamment de rendre plus rapides et plus complètes les réactions entre
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tier .
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rement mécaniques, par exemple au mélangeur rotatif, ou encore; par exemple par action électro-magnétique.
D'autre part l'insufflation de gaz, telle qu'elle a lieu par exemple au convertisseur BESSEMER, produit évidemment un effet de brassage.
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des volumes de gaz considérables, de' l'ordre de 10.000 litres par minute
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réaliser un brassage très efficace au moyen d'une quantité de gaz aussi réduite que possible, par exemple quelques dizaines de litres par minute et par tonne, et même éventuellement moins d'une dizaine de litres par minute et par tonne, afin notamment de pouvoir tirer parti économiquement des propriétés avantageuses des gaz inertes, tels que l'argon et l'hélium, dont le prix de revient est relativement élevé. La réalisation du brassage par un débit de gaz très réduit procure également, dans les applications envisagées^ auxquelles il sera fait référence par la suite,d'autres avantages qui apparaîtront lors de l'étude de ces applications.
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20 Juin 1949 pour : "Procédé d'insufflation de gaz dans un métal fondu"
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pour l'insufflation de gaz au sein d'une masse de métal en fusion, au moyen d'au moins un élément réfractaire poreux inséré dans le garnissage du réci-
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La présente invention concerne l'adaptation d'un tel dispositif en vue d'accroître l'efficacité du brassage d'un bain de fusion métallurgique et détermine à cet effet les proportions optima à donner aux différentes parties constitutives de la poche de manière à obtenir un brassage très actif au moyen d'un débit de gaz aussi réduit que possible. L'invention consiste plus spécialement dans la détermination de 3 facteurs que la Demanderesse a reconnu être particulièrement caractéristiques pour l'obtention des résultats visés: Ces facteurs sont : a) Le rapport entre la hauteur du bain de fusion et la super- <EMI ID=8.1>
entre sa profondeur jusqu'à son niveau de remplissage normal et son diamètre à ce niveau, en admettant que cette poche présente une section horizontale sensiblement circulaire.
b) Le rapport entre la superficie de l'élément poreux et la superficie du bain de fusion. c) La perméabilité de l'élément poreux, vis-à-vis du gaz insufflé.
La poche suivant l'invention, pour le traitement des métaux en fusion par insufflation de gaz au sein du bain de fusion à travers au moins un élément réfractaire poreux affleurant sensiblement le garnissage
<EMI ID=9.1> a) Le rapport entre la profondeur de la poche, jusqu'à son niveau de remplissage normal, et son diamètre intérieur à ce même niveau est <EMI ID=10.1>
étant voisine de 1,5; b) Le rapport entre la surface s de l'élément poreux et la surface S de la section intérieure de la poche à son niveau de remplissage normal est conforme à la relation ;
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et de préférence conforme à la relation :
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c) la perméabilité de l'élément poreux, vis-à-vis des gaz ayantdes caractéristiques de viscosité voisines de celles de l'air, est compris e entre 50 et 200 litres par minute, évalués à la pression atmosphérique et à la température ambiante, par décimètre carré et par kg/cm2.
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pour une pression d'insufflation déterminée, à travers l'élément poreux, lorsque cet élément est au contact d'acier ou fonte en fusion, ne sera que le tiers ou le quart des valeurs ci-dessus, relatives au débit à froid, étant donné que ce gaz devra traverser des pores fins dont les parois seront por-
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C'est ainsi que la viscosité de l'argon passe de :
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de l'hélium de :
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Suivant une autre caractéristique de l'invention en vue de son application au traitement des métaux ferreux, une pocha présentant les ca-
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que l'élément poreux est constitué par un bouchon amovible en carbure de
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de de chrome additionné d'un peu de bentonite et de silicate de soude.
Bien que d'autres compositions réfractaires poreuses puissent également être satisfaisantes, le carbure de silicium a une excellente tenue en présence de la fonte et de l'acier en fusion, ce qui lui permet d'être utilisé pour plusieurs coulées successives et il possède en outre un avantage particulier dû au fait que la couche superficielle de carbure de silicium en contact avec la fonte ou l'acier liquide se dissout très lentement dans ce métal, de sorte que la surface du 'bouchon en contact avec le métal se décape très progressivement et qu'on ne constate pas d'encrassement gênant de cette surface. D'autre part, cette usure de la couche superficielle est suffisamment lente, en général inférieure à 2 mm par coulée, pour que ce bouchon puisse servir à plusieurs coulées successives comme indiqué ci-dessus.
L'invention va maintenant être décrite en détail, en se référant au dessin annexé, dans lequel :
- la .figure 1 est une coupe en élévation;, suivant un plan diamétral, d'une <EMI ID=19.1>
- la figure 2 est un graphique représentant les variations de la superficie de l'élément -poreux en fonction du diamètre intérieur de la poche à son ' niveau normal de remplissage et en fonction du tonnage de métal contenu dans cette poche, lorsqu'il s'agit d'un -métal ferreux,
- la figure 3 est un graphique représentant les variations du débit de gaz de brassage, en fonction du tonnage de la charge traitée, s'agissant également de métaux ferreux.
) La poche de coulée représentée figure 1 offre, par sa forme en gobelet un aspect extérieur assez semblable à ce qui a déjà été décrit dans
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On remarquera toutefois que l'élément poreux l, relié à la manière connue
à une bouteille de gaz 2 munie d'un détendeur 3, d'un manomètre 4 et d'un débitmétre 5 alimentant l'élément poreux par une canalisation 6 et une boite à,vent 7, présente une section beaucoup plus petite par rapport aux dimensions générales de la poche, que dans les appareils analogues antérieurement décrits. On remarquera en outre que ce bouchon poreux est disposé dans le fond de la poche, vers son,point le plus bas, et que sa section supérieure affleure le garnissage du fond de la poche, lequel se raccorde
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de la poche est voisine du douule de son diamètre intérieur, à mi-hauteur,; tandis que les récipients proposés jusqu'ici; d'une manière générale; pour les opérations métallurgiques auxquelles s'applique la présente invention, telles que notamment la désulfuration de la fonte et de l'acier, présentaient en général uns profondeur inférieure ou au plus égale à leur plus grande dimension . horizontale. Par rapport à ces récipients) et surtout pour de forts tonnages, une poche de coulée conforme à l'invention présente un ensemble d'avantages, à savoir notamment la commodité de transport; la diminution des pertes de chaleur, la diminution de la surface du métal exposée à la contamination atmosphérique?et l'amélioration des possibilités d'adaptation d'un couvercle étanche/pour travailler à l'abri de l'air et mamelle cas échéant;sous vide.
En outre, à tonnage égal, la construction et l'entretien d'une poche conforme à l'invention sont moins coûteux que ceux de la plupart des appareils qu'elle peut remplacer. En raison de la très faible section du bouchon poreux, il est relativement facile d'assurer son scellement étanche dans le garnissage de la poche, de telle manière que ce scellement résiste bien à plusieurs coulées successives , d'autant mieux que le
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comme indiqué ci-après.
D'autre part, le choix d'une aussi faible section du bouchon poreux résulte d'une série d'essais effectués sur des coulées de tonnages croissants;au cours desquels la demanderesse a constaté notamment qu'un bouchon de 10 cm de diamètre,,qui avait donné de bons résultats pour de petites coulées expérimentales de l'ordre de 500 Kg de métal permettait encore
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de gaz nécessaire, par minute et par tonne de métal, étant en outre de plus en plus réduit à mesure que le tonnage augmentait.
Au cours d'essais effectués avec une poche conforme à l'invention de bons résultats ont été obtenus avec une pression de gaz inférieure à 3 kg/cm2 et de préférence comprise entre 0,15 et 1,5 kg/cm2. Cette pression, comme chaque fois qu'il en est question par ailleurs au cours de
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le bouchon, c'est-à-dire de la différence entre la pression des gaz en amont du bouchon et la pression hydrostatique du métal liquide au-dessus de ce bouchon. Dans ces conditions, et avec un élément poreux répondant
aux caractéristiques définies ci-dessus, on a constaté lors de l'insufflation d'argon dans un bain de fonte que le débit de gaz indiqué par le débitmètre et rapporté à l'unité de surface (décimètre carré) de l'élément poreux variait approximativement de 5 à 50 litres par minute environ lorsque la
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perméabilité de l'élément tend à diminuer assez nettement au cours de la durée d'utilisation d'un élément poreux.
Le graphique de la figure 2 indique, en fonction de la superficie S de la section intérieure de la poche à son niveau de remplissage normal, les valeurs minimum et maximum de la superficie de l'élément poreux
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Ce graphique permet également de lire le diamètre de l'élément <EMI ID=28.1>
sant de remarquer, d'après ce graphique, que pour des tonnages de métal ferreux allant de 1 tonne à 50 tonnes, le diamètre de l'élément poreux se tient pratiquement entre 7 et 25 centimètres, et répond sensiblement à la formule :
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dans laquelle d est le diamètre, en centimètres, de l'élément poreux et
T le poids, en tonne de la charge de fonte ou acier.
On a également représenté en pointillé , sur ce même graphique; les deux droites délimitant approximativement les valeurs optima de s, toujours en fonction de S, et, à titre indicatif; ces mêmes valeurs en fonction du-tonnage 'Le dans le cas d'une charge constituée de métal ferreux. Ces droites pointillées répondent à la relation :
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qui a été définie au début pour délimiter les valeurs préférées de s en fonction de S.
Le graphique de la figure 3 indique., en fonction de la masse T, en tonnes/,du bain de métal ferreux soumis au brassage, les différentes
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dique le débit maximum au delà duquel il risque de se produire des projections excessives de métal ou de laitier, lorsque la poche a des dimensions spécifiées et la droite II le débit minimum pour lequel commence à se manifester un effet utile de brassage.
Ce graphique a été établi d'après la formule :
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A titre d'exemple, de bons résultats ont été obtenus sur une charge de 3 tonnes^avec un bouchon réfractaire poreux de 10 cm de diamètre dans une poche dont le diamètre Intérieur, au niveau de remplissage normale
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surfaces correspondantes était par suite de 1/64. Ce rapport peut avantageusement descendre jusqu'à 1/100 et même quelque peu au delà, comme cela
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face du bain, la surface s du bouchon pourra être d'autant plus petite
que la profondeur H du bain, autrement dit le tonnage T seront plus grands . Ceci paraît tenir au fait que le courant gazeux s'élargit en montant au sein du métal; et brasse une masse de métal d'autant plus grande que le bain est plus profond. On peut pratiquement dans le cas, le plus usuel, d'un bouchon poreux de section circulaire, déterminer son diamètre en
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du bain étant supposée constante .
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une agitation très vive; presque excessive. En réduisant ce débit à 16 litres/minute, la pression étant de 1 kg/cm2, l'agitation était tout à
fait satisfaisante.Dans un essai analogue, mais avec une charge de 3 tonnes un débit de 36 litres par minute, soit 12 litres par minute et par tonne
a donné une agitation très active. Cette agitation est telle qu'elle
permet d'obtenir un brassage très efficace du bain de fusion, et c'est ainsi par exemple. qu'il a été possible,. dans les conditions opératoires
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teneur en soufre d'une charge d'acier ou de fonte, en utilisant comme agent désulfurant de la chaux granulée, ou de préférence un laitier fortement basique, très fluide à la température du métal traité, ce laitier pouvant être chargé dans la poche à l'état solide. On peut également utiliser avantageusement un laitier de haut fourneau, lui-même éventuellement désulfuré au préalable. Un avantage important de l'insufflation de gaz est de favoriser la double réaction de désulfuration :
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en abaissant la pression partielle de CO et en entraînant les bulles de 00 hors du bain.
Etant donné que le rapport entre la superficie du bouchon poreux et celle du bain de fusion est un des principaux facteurs pour l'obtention des résultats ci-dessus, il semble possible d'avancer l'hypothèse suivant laquelle le brassage du bain de fusion s'effectue ici surtout par des courants de convection, qui ont pu d'ailleurs être mis en évidence expérimentalement. Ces courants sont ascendants dans la zone centrale du bain, directement audessus de l'élément poreux, et descendants dans toute la zone annulaire qui entoure cette zone centrale, Contrairement à ce qui a lieu, par exemple dans l'insufflation à la lance, où c'est essentiellement l'énergie cinétique du
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voque le brassage, le courant ascendant de métal liquide paraît être ici simplement induit par la force ascensionnelle du gaz accrue par sa dilatation thermique, tandis que le courant descendant est simplement un courant de retour qui se produit librement, étant donné que l'effet de l'insufflation de gaz est limité à la zone centrale. A l'appui de cette hypothèse, on peut indiquer le fait qu'en soumettant une charge de fonte à une insufflation de gaz de brassage, conformément à l'invention, et en la soumettant en outre simultanément à un jet d'oxygène concentré projeté à -la surface du bain, la. production de fumées rouges d'oxyde de fer est bien moindre qu'en l'absence de ce brassage. Cela paraît pouvoir être attribué au fait que la surface du bain est constamment renouvelée, ce qui s'oppose à la suroxydation locale du métal en surface.
En même temps, on constate que les effets de l'affinage se font sentir dans toute la masse du métal, et que la teneur en carbone - varie beaucoup moins entre la surface et- le fond du bain, que si l'affinage avait été fait sans recourir au brassage suivant l'invention, lequel ramène périodiquement en surface le fond du bain, et inversement.
Cet effet est maximum lorsque les dimensions relatives de la poche et du bouchon sont conformes aux valeurs choisies suivant la présente
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vers la totalité du fond d'un récipient présentant un fond poreux sur toute son étendue bien que dans ce cas le débit de gaz insufflé soit évidemment bien plus grand.
Le dispositif de l'invention permet ainsi de pratiquer l'affinage à la lance à oxygène, dont on -connaît par ailleurs les avantages avec
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de métal et d'éléments d'alliage par suroxydation, et moins de fumées gênantes. Il permet en outre de pratiquer avantageusement cet affinage dans une simple poche de coulée, équipée de la manière décrite ci-dessus, et de lefaire suivre, le cas échéant, toujours dans la même poche, d'un traitement
de désulfuration et éventuellement d'un traitement de dégazage par insufflation de gaz inerte. Ces deux derniers traitements peuvent d'ailleurs, de manière avantageuse, être simultanés, car l'obtention du brassage du métal avec le laitier désulfurant ou autre au moyen d'un débit de gaz extrêmement faible permet de choisir pour ce brassage un gaz inerte,par exemple l'argon; lequel entraine et chasse en surface les gaz nuisibles présents au sein du métal, tels que l'azote et l'hydrogène, et protège la surface du bain contre l'oxydation et la nitruration au contact de l'air ambiant, ainsi que contre