S OP PL

1° Au point do vue do l'affinage et des réactions chimiques;

2“ Au point de vue de l 'analyse spectrale.

Nous donnerons ensuite pour des cas spéciaux des analyses de métal aux diverses périodes de l’opération, ainsi que celles des gaz et des scories.

I. Suivant l’usage consacré dans les aciéries, nous diviserons l’opération en deux périodes principales, la période d’étincelles et la période de flammes. Toutefois nous devons dire que certains métallurgistes, M. Tchernoff, entre autres, dans une étude très judicieuse sur la fabrication Bessemer en seconde fusion, distingue quatre périodes. Cette division a sa raison d’ôtre ; mais les 2e et 4’ périodes sont tellement difficiles à saisir dans certains cas, que l’on peut le plus souvent se contenter de distinguer deux phases dans l’opération Bessemer acide.

lre période. — La fonte versée dans le convertisseur occupe environ le dixième du vide total de l’appareil, et l’on donne le vent à une pression équivalente à sept fois environ la colonne de métal.

Parmi les éléments, silicium, manganèse, carbone, fer, ce dernier brûle dès le commencement de l’opération, car il se trouve en proportion très forte, et le silicium, étant l’élément le plus oxydable, brûle le premier, pour produire de l’acide silicique, qui, étant un produit solide, ne donne lieu à aucune flamme, mais au contraire donne une gerbe d’étincelles qui est la caractéristique de la première période. Le bruit qui accompagne cette phase de l’opération est souvent très intense et sourd; mais vers la fin de cette période la flamme, d’abord rougeâtre, devient plus brillante, le métal se laisse plus facilement traverser par le vent, devient par conséquent plus fluide, la machine s’accélère et lance par suite plus de vent. Le manganèse s’oxyde également, mais en faible proportion pendant cette première période. Le carbone étant l’élément le moins oxydable des trois, on voit que cette phase de l’opération Bessemer est caractérisée par :

1° l’absence de flamme proprement dite;

2° la production d’étincelles;

3° l’absence de bouillonnement, puisqu’il ne se produit que peu de gaz; cette première période ne montre que les produits incandescents de la combustion.

Cette manière de voir est du reste en rapport avec les analyses citées plus loin, qui montrent que la proportion relative de carbone brûlé croit à mesure que l’opération avance, tandis que celle du silicium diminue.

La durée de la première période de l’opération Bessemer est directement proportionnelle à la température initiale de la fonte traitée, ou plus exactement à sa teneur en silicium. Ainsi, lorsqu’on traite des fontes de première fusion, on peut admettre que la durée de cette période est égale à autant de fois 5 minutes qu’il y a de centièmes de silicium dans la fonte, ce qui donne une moyenne de 6 à 10 minutes au maximum pour les fontes Bessemer traitées normalement en France.

Quand on opère, au contraire, sur des fontes de seconde fusion, telles que celles étudiées par M. Tchernoff et ne contenant que 1 à 1,50 au maximum de silicium, la durée de la première période s’abaisse à 4, 5 ou 6 minutes; ces dernières correspondent après fusion au cubilot à la composition moyenne suivante:

Manganèse 0,390

Carbone total 4,400

Silicium 1,300

Soufre 0,060

Phosphore 0,0~0

Les chiffres que nous donnons pour les analyses et la durée des diverses périodes se rapportent à l 'allure normale, ni trop chaude ni trop froide.

Nous disions tout à l’heure que la première période est proportionnelle à la teneur en silicium; elle dépend également de la teneur en manganèse : ce dernier élément, quoique agissant surtout sur la durée de la seconde période, prolonge également la première et donne lieu à des fumées nombreuses, empêchant dans quelques usines, comme nous le verrons plus loin, l’étude de la flamme au spectroscope.

Le passage de la première période à la seconde est assez brusque et ne dure que 2, 3 à 4 minutes au plus ; c’est la seconde période de Tchernoff.

La seconde période (c’est-à-dire la troisième de Tchernoff) commence avec une flamme plus fournie, le bruit du vent traversant le métal s’accentue ; c’est la période des projections, lorsque Ton traite des fontes trop froides, ou plus généralement des fontes manganésées, désignées souvent dans les ateliers Bessemer sous le nom de fontes légères.

Au point de vue des réactions chimiques qui accompagnent cette période, on peut dire que, dès que le carbone commence à brûler, la flamme devient plus vive, et un fort bouillonnement, produit par l’oxyde de carbone, est nettement perceptible. C’est réellement la phase de décarburation et pendant cette période le silicium en grande partie brûlé pendant la première période continue à s’oxyder, tandis que, le carbone passant à l’état d’acide carbonique et d’oxyde de carbone (ce dernier en proporiion de plus en plus grande à mesure que l’opération s’avance), la flamme devient plus vive, le spectre très nettement visible, de sorte que ce dernier décèle la présence des éléments qui peuvent être éliminés au convertisseur acide à l'état de gaz ou de vapeurs métalliques.

Cette période varie évidemment avec la teneur en carbone, mais toutefois sa durée parait être moins variable que celle de la première période, qui est toujours en rapport direct avec la teneur en silicium. Le manganèse en forte proportion prolonge la seconde période en donnant lieu à des fumées qui obscurcissent la flamme, et obligent pour l’arrêt des opérations à avoir recours aux prises de scories. 11 faut remarquer aussi que les fontes froides donnent lieu à une première période très courte (nulle dans certains cas), tandis que pour les secondes périodes les écarts sontrelativement moindres. Avec des fontes moyennes, traitées en première fusion et contenant une certaine proportion de manganèse, la durée de la deuxième période varie de 15 à 18 ou 20 minutes environ.

D’autre part, si Ton traite en seconde fusion des fontes analogues à celles étudiées par M. Tchernoff, la durée de la seconde période n’est que de 4 à 5 minutes, c’est-à-dire égale à peu près à la première : ces fontes (comme le montrent les analyses), quoique carburées, sont très pauvres en manganèse et peuvent être traitées en 12 ou 14 minutes. (Voir plus loin les analyses de métal et de scorie. Etudes de M. King.)

Arrêt de l’opération {ou 4e période de Tchernoff.) — L’intensité lumineuse de la flamme pendant la seconde période provient de la haute température dos gaz en combustion ; la fin de la décarburation "(en particulier dans le cas que nous avons pris comme exemple, c’est-à-dire le traitement en première fusion) se trouve nettement indiquée par l’abaissement de cette intensité lumineuse, la disparition du bouillonnement véritable, remplacée par un bruit sourd indiquant (rue le métal se laisse difficilement traverser par le vent; à ce moment, le silicium et le carbone

FER (MÉTALLURGIE DU). — 739

ne brûlent plus, le manganèse a passé à l’état d’oxyde combiné à la silice et le for brûle en plus forte proportion que pendant tout le reste de l’opération.

La durée de la 4e période de Tchernoff est toujours assez faible, 2 à 3 minutes au plus, et si l’on prolonge l’opération, on paraît revenir à la première période, avec cette différence que les étincelles sont remplacées par des fumées rousses.

Ainsi on peut dire que le silicium et le manganèse s’oxydent dans la première période, le manganèse et le carbone dans la seconde, comme on peut le voir par les tableaux d’analyses et les diagrammes ci-joints; tandis que le fer, qui entre en proportion très forte, s’oxyde un peu pendant toute l’opération, mais surtout à la fin, quand le carbone et le manganèse sont presque totalement brûlés; quant au silicium, il en reste, dans le cas de fontes très siliceuses, jusqu’à la fin de l’opération et l’on attribue en général à ce silicium la mauvaise qualité des aciers obtenus en allure extrachaude au convertisseur acide.

Le métal obtenu sera d’autant plus doux que l’opération aura été, suivant l’expression technique, poussée loin: on devra également prolonger l’opération dans le cas de fontes chaudes, tandis que dans le cas de fontes froides on arrêtera plus tôt: ceci s’applique bien entendu, ainsi que nous l’avons dit en commençant l’étude du Bessemer acide, au cas de fontes exemptes de soufre et de phosphore. Nous verrons, en effet, parla suite, que dans le cas de fontes impures il est nécessaire de prolonger l’opération beaucoup plus loin pour éliminer d’abord le phosphore pendant le sursoufflage (a fier blow) et ensuite le soufre pendant Vouer after blow ; mais ces sursoufflages ne sont pratiquement possibles que dans un convertisseur à garniture basique, car dans le cas d’un garnissage acide on arrive vite à la destruction complète de l’appareil, par suite des réactions qui s’opèrent entre les oxydes de fer et la silice du revêtement.

Addition du spiegel. — Revenons à l’opération acide. Après le renversement de la cornue, on ajoute du spiegel ou du ferromanganôse pour désoxyder le bain, et la proportion ajoutée varie naturellement avec la qualité et les propriétés du métal à obtenir. Nous verrons plus loin les quantités requises théoriquement pour la désoxydation ; pour le moment contentons-nous de dire qu’après cette addition il sort du col de la cornue une flamme composée principalement d’oxyde de carbone, flamme qui sera longue dans le cas d’un arrêt tardif, combiné à une réaction violente pouvant projeter la scorie en dehors (cas du sursoufflage), courte dans le cas d’un arrêt prématuré, ce dernier donnant toujours un métal très dur et cassant, correspondant pratiquement à ce que l’on appelle le faux n° 7 de Nouberg; une flamme moyenne est ce que l’on doit chercher à obtenir. Il y a là un grand nombre de règles pratiques qui nous entraîneraient hors du cadre que nous nous sommes tracé, et nous allons chercher à montrer quel parti on peut tirer de l’analyse spectrale : l’emploi du spectroscope, en effet, resserre les limites de l’erreur que l’on peut commettre en se guidant pour l’arrêt des opérations au seul aspect extérieur de la flamme et non à sa nature intime, qui ne peut être réellement dévoilée que par l’étude attentive de son spectre.

Emploi du spectroscope. — L’idée d’employer le spectroscope pour analyser la flamme du Bessemer est duc à M. W. Bradge, ingénieur chez M. John Brown et Cio de Sheftield, et AL Roscoë, à qui l’on attribue généralement cette découverte, fut seulement chargé de l’étude elle-même de la flamme. Cet emploi se généralisa dans les |

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aciéries anglaises, y fut ensuite abandonné, se transporta en Allemagne, en Suède, en Autriche eten Belgique; ce n’est que depuis une quinzaine d’années que son emploi en France se généralisa (le spectroscope a été employé à Terrenoire dès 1864 par AI. Valton), et aujourd’hui il est peu d’usines françaises qui n’y aient recours, si ce n’est d’une manière absolue pour l’arrêt de l’opération, au moins pour suivre la marche ellemême et toujours comme moyen de contrôle. L’un des grands avantages de cette méthode est la continuité du phénomène à partir du moment où le spectre est nettement visible, et l’analyse spectrale a déjà rendu d’assez grands services à la science pure pour qu’il soit permis d’espérer qu’elle en rendra encore de plus importants à l’industrie.

Pour l’étude du Bessemer au point de vue spectral, considérons les deux périodes principales indiquées plus haut, et cherchons à expliquer la nature du spectre pendant ces deux périodes, aussi nettement séparées au point de vue spectral qu’au point de vue de l’aspect de la flamme et des réactions chimiques.

On considère en analyse spectrale des spectres continus, des spectres à raies brillantes et des spectres d’absorption. La flamme du Besse“ mer fournit ces trois espèces de spectres.

Dans la première période de l’opération, on observe peu de gaz, une flamme peu éclairante et surtout des étincelles ; d’après le premier principe, on doit avoir, et c’est ce qui a lieu en effet, un spectre continu. Déplus, la température n’étant pas encore très élevée, les parties les plus réfrangibles sont peu visibles. D’un autre côté, le spectre, des particules solides contenues dans un gaz l’emportant toujours sur le spectre du gaz lui-même, on n’observe pas de raies brillantes dans le cas où les étincelles sont très nombreuses : ce qui explique pourquoi le spectre est continu pendant cette première période , quoiqu’il y ait déjà des gaz (azote, hydrogène et acide carbonique) qui sortent du convertisseur, mais sans flamme bien apparente.

Pendant la seconde période, la flamme devenue brillante se compose principalement d’azote et d’oxyde de carbone ; ce dernier, comme nous l’avons fait observer, l’emportant de plus en plus sur l’acide carbonique à mesure que l’opération s’avance, le silicium continue à brûler en même temps que le carbone et le manganèse. Cette période est caractérisée par l’apparition nette de la raie du sodium, apparition qui a lieu en ce moment parce que la flamme s’accentue : c’est là une coïncidence avec le commencement de la combustion du carbone.

On a pendant cette période, dite de décarburation, la superposition de trois spectres :

1° Spectre continu ;

2° Spectre à raies brillantes;

3° Spectre à bandes d’absorption ; ce dernier, en particulier, se retrouvant toutes les fois que l’on traite des fontes chaudes, donnant lieu à des fumées obscures qui entourent la flamme et empêchent dans certaines usines d’employer le spectroscope.

Un spectre d’absorption analogue existe assez nettement pour la flamme d'un gueulard de haut fourneau par suite de la présence de la vapeur d’eau.

, A quoi sont dues les raies qu’on observe dans l’examen spectroscopique de la flamme du Bessemer ?

C’est là une question qui a été l’objet de nombreuses études, et il est diflicile encore, à l’heure actuelle, de la résoudre complètement, parce que l’on ne peut reproduire exactement au laboratoire les conditions de température et de pression de

l’opération Bessemer. M. Tchernofï a étudié par comparaison le spectre do la flamme d’un convertisseur neuf, quand on donne le vent et que la température s’élève beaucoup.

Ce spectre ressemble à celui du Bessemer, qui, par conséquent, est dû à la haute température, ainsi qu’à la présence de l’oxyde de carbone et du manganèse ; le même spectre se retrouve dans les flammèches qui sortent do la poche à travers la scorie ; nous avons reproduit également des spectres analogues. (Voir plus loin.)

Il y a lieu, pour étudier le spectre de la deuxième période, de le diviser en plusieurs groupes de raies qui apparaissent et disparaissent généralement dans un ordre constant, sauf dans quelques cas de marche anormale.

Avec un spectroscope d’atelier à vision directe et sans micromètre (petit modèle Hoffmann ou Dubosq), on distingue facilement quatre groupes principaux de raies vertes, auxquels jusqu’à présent et à juste titre on a attribué une grande importance ; mais nous verrons par la suite que ce ne sont pas là les seules raies auxquelles on puisse avoir recours pour l’arrêt des opérations. En désignant les groupes de raies vertes par les numéros 1, 2, 3, 4, en allant du jaune au bleu, on remarque, outre la raie jaune du sodium qui sert ordinairement de point de repère pour le micromètre (nous désignerons par la suite les raies par les divisions du micromètre d’un spectroscope grand modèle, à vision directe, que nous avons employé pour nos études), les raies rouges du potassium et du lithium, ainsi qu’une série de raies dans la région bleue du spectre ; ces dernières, sensiblement équidistantes, forment à première vue une sorte de bande dégradée jusque dans la partie la plus réfrangible. L’ordre d’apparition et de disparition des raies est à peu près coustant. Au commencement de la deuxième période, on voit apparaitre et disparaître souvent par scintillement la double raie jaune Na (a) du sodium ; lorsqu’elle est devenue fixe, le groupe n” 2 apparaît par éclairs, pour devenir bientôt fixe à son tour; à ce moment, le groupe n° 3 commence à s’apercevoir, se complète peu à peu, en même temps que le groupe 4 et les raies de la région bleue apparaissent; le groupe n° 1, qui persiste jusqu’à la fin de l’opération, se montre le dernier.

On aperçoit les raies 37, 38 en même temps que le groupe n° 4 devient net; et, dès que les dégradés du bleu, à droite du groupe n° 4, deviennent nets, le spectre se complète presque immédiatement par l’apparition des raies 57, 58, 59 et principalement les raies caractéristiques de l’oxyde de carbone 41 et 42, les raies rouges K (a) et Li (a), etc. C’est seulement, à ce moment que se voient les raies 60 à 70. Il faut enfin appeler l’attention des observateurs sur un groupe de raies qui n’est nettement visible que pendant un temps relativement court dans les opérations très chaudes (en maintenant la fente du spectroscope assez large) et qui se trouve très loin dans la région violette.

Il y a lieu de signaler d’une manière particulière :

1° Les raies 57, 58, 59, qui apparaissent presque à la fin de l’opération, et persistent en général les dernières môme dans les opérations extradouces, quand la décarburation est poussée très loin ;

2° Les raies 91.50 et 96.50 persistent avec toute leur netteté jusqu’à la fin;

3° Les raies 41 et 42, qui offrent un intérêt spécial au point de vue de l’arrêt des opérations, et auxquelles jusqu’à ce jour on n’a pas ou recours d’une manière assez suivie dans les aciéries.

Arrêt de l’opération. — D’une manière géné-

I raie, les raies disparaissent à la fin de l’opération dans l’ordre inverse de leur apparition. Ainsi on voit s’obscurcir successivement les groupes 4, 3, 2, les raies 37, 38, puis 41, 42, et tout à fait à la fin le groupe n° l.Le moment de l’arrêt varie évidemment avec la nature des fontes traitées (voir plus loin l’étude des allures normale, froide et extrachaude) ; mais on peut dire d’une manière générale que, pour obtenir un acier dur pour rails, il faut arrêter l’opération quand le groupe n“ 2 a disparu et que le groupe n" 1 commence à s’obscurcir, ajouter ensuite la proportion de spiegel voulue, 10 “/„ par exemple.

Au contraire, dans les opérations pour acier doux, on devra pousser l’opération jusqu’à la disparition complète des raies, sauf celle du sodium, et additionner finalement de spiegel riche à 40 ou 50 % ou de ferromanganèse à 80 “/„.

Pour citer un exemple, nous dirons qu’à Graz, en Styrie (d’après M. Clérault, Annales des mines), on a le n° 7 de l’échelle de Neuberg en arrêtant l’opération quand le groupe n° 3 a disparu, mais que le groupe n° 2 est encore visible. On ajoute alors le spiegel, on relève la cornue en donnant le vent, le spectre reparaît presque complet, et on arrête quand, les raies du bleu ayant disparu, le groupe n° 4 commence à s'obscurcir.

D'une manière générale, l’opération arrêtée au point voulu, on ajoute une proportion variable d’alliage de manganèse (à une teneur de 10 à 80 %), suivant les quantités respectives de manganèse et de carbone que l’on veut introduire dans l’acier; la flamme qui se produit au col de la cornue donne, même sans relèvement du convertisseur, le spectre à peu près complet de la deuxième période

Il reste à signaler les bandes obscures qui existent dans le cas d’opérations fumeuses et donnent lieu à des disparitions et apparitions successives de raies. (Les fumées qui entourent la flamme dans certaines opérations sont, d’après les analyses de M. Pourcel, composées presque exclusivement de silice, protoxyde de fer et oxyde rouge de manganèse, ce dernier étant au moins dans la proportion de 30 °/0, dans le cas où la prise est faite dans la cheminée.)

Des analyses des mêmes fumées, faites à Graz, la prise étant faite dans le convertisseur à 30 centimètres au-dessous de la gueule, ont donné :

Silice 31,86

Protoxyde de fer 16,29

— de manganèse 48,23

On remarquera que l’oxyde rouge de manganèse est dû à une peroxydation au sortir de la cornue.

Il y a, en outre, dans le spectre du Bessemer, des portions qui paraissent obscures entre les raies 37, 38, 41, 42, puis vers les groupes 3 et 2; mais ces bandes paraissent plutôt dues à un contraste de lumière qu’à la formation actuelle de bandes d’absorption. Toutefois on trouve dans la région verte les mêmes bandes plus ou moins accentuées, quand on étudie la flamme du gueulard d’un haut fourneau pendant un éteignage, ou la flamme d’un four à vent pendant un essai par voie sèche.

Ces bandes paraissent devoir être attribuées à des gaz incomplètement brûlés et aussi à la vapeur d’eau.

Nous avons étudié le spectre du Bessemer, en même temps qu’un certain nombre d’autres spectres, dont les principaux sont reproduits dans les figures de la page 742.

a. Spectre de la flamme du Bessemer pendant la deuxième période.

b. Spectre de la flamme d’un four à vent pendant un essai par voie sèche de minerai manga nésé.

c. Spectre de la flamme du gueulard d’un haut fourneau ;

(l. Spectre obtenu en introduisant des oxydes de manganèse régénérés (provenant de la fabrication industrielle du chlore) dans la flamme d un four à vent.

e. Spectre obtenu en introduisant du chlorure de manganèse pur dans la flamme d’un brûleur de Bunsen, ou dans la flamme d’un chalumeau à gaz.

f. Spectre du chlorure de calcium dans le gaz ou dans la flamme d’un four à vent.

g. Spectre de la flamme d’un four à vent, chauffé avec un mélange de coke et de charbon de bois.

h. Spectre du chauffage de la cornue Bessemer, étudié du reste également par M. Tchernoff.

i. Spectre de la flamme bleue du gaz d’éclairage.

j. Spectre du fer (chlorures et autres sels).

k. Spectre des gaz carbonés.

l. Nous avons cherché à obtenir, non pas un spectre électrique, mais un spectre de combustion de l’oxyde de carbone pur; mais nous n’avons probablement jamais obtenu une température assez élevée en rapport avec les conditions inhérentes à l’opération Bessemer.

Quelles que soient les difficultés d'une étude de ce genre, cette comparaison du spectre Bessemer avec les spectres indiqués (voir pour les détails de mesure des longueurs d’onde notre mémoire : Sur l'emploi du spectroscope dans le procédé Bessemer, Association française, Nantes, 1875) conduit aux conclusions suivantes, en se basant sur ce fait, que l’ordre d’apparilion et de disparition des raies, ainsi que leur intensité respective désignée par a, (5, y, etc., sont d’un grand secours pour déterminer la nature des principales raies : les plus caractéristiques de chaque élément apparaissent nettement les premières; ce qui est un moyen de plus de vérifier si telle ou telle raie est due à tel ou tel élément.

Il paraît à peu près certain aujourd’hui que le spectre du Bessemer comprend :

1° Les raies du potassium, — 4.50 K (a) et la raie K (fi) visible seulement avec un spectroscope permettant d’observer les raies des extrémités du spectre;

2° La raie du sodium Na (a) 52.50;

3° La raie du lithium Li (a) 17.00;

4'' La raie du calcium Ca (a) 38.00 à 35.00;

— Ca (fl) 75.25 à 75.75;

Et probablement Ca (y) 50.00 ;

La bande Ca (6) 43.00 à 48.00;

Et Ca (e), nébulosité vers 27.50 ;

5° Les raies du fer, qui apparaissent les dernières et persistent jusqu’à la fin de l’opération. Nous signalerons principalement les raies Fe (a), 91.50 à 92.50 et 96.50 et le groupe n° 1, 55.00 à 59.00.

Ces raies sont toutes très brillantes, principalement 90.50, qui se voit à la fin de l’opération, alors môme que toutes celles du groupe dont elle fait partie se sont évanouies.

Il est probable que le spectre du Bessemer contient d’autres raies du fer, principalement dans le groupe 100.50 à 106.50 et dans le bleu, mais il est impossible d’indiquer exactement celles qui sont dues au fer, au manganèse ou au carbone , car dans cette région les longueurs a onde, correspondant aux raies de ces divers éléments, sont presque les mômes.

On pourrait objecter que, si le spectre de la flamme du Bessemer contient les raies du fer, celles-ci ne devraient pas disparaître, puisqu’il y

a du fer qui s’oxyde jusqu’à la fin; on pourrait en dire autant pour le manganèse, le carbone, etc... Mais il faut bien remarquer que la disparition des raies tient, non seulement à l’absence de certains éléments, mais principalement à l’abaissement de la flamme, qui ne donne plus à la fin qu’un spectre continu, et, comme le dit avec beaucoup de justesse M. Tchernoff, on paraît revenir, en prolongeant l’opération, à la première période d’etincelles donnant un spectre continu sans raies, ni brillantes ni obscures.

6° et 7°. Il nous reste à parler maintenant des raies vertes, bleues et violettes. Les premières sont prises en considération d’une manière générale dans les usines pour déterminer l’arrêt de l’opération ; elles ont été attribuées par divers auteurs, tantôt exclusivement au carbone, tantôt au contraire exclusivement au manganèse : confusion très naturelle, le carbone et le manganèse donnant des raies de longueur d’onde presque identiques dans cette région ; mais il est à remarquer que les bandes sont dégradées à gauche pour le manganèse, à droite pour les gaz carbonés.

Il nous parait certain que le spectre du Bessemer contient les raies non seulement d’un gaz carboné quelconque, mais spécialement de l’oxyde de carbone ; d’un autre côte, les fontes Bessemer contenant souvent autant de manganèse que de carbone (et souvent plus en Autriche), il semble très naturel que le spectre contienne également les raies du manganèse, qui doivent disparaître à la fin; nous n’avons jamais trouvé que des traces de manganèse dans les éprouvettes prises, après extinction complète des raies du spectre, c’està-dire avant addition de spiegel.

D’après les dessins de spectres ci-joints, il est impossible de nier l’analogie du spectre du Bessemer avec les spectres se rapportant au manganèse. 11 n'existe de différences, en effet, que pour les intensités respectives des raies ou pour certaines bandes qui sont plus nettement, tranchées, différences faciles à expliquer si l’on remarque que les dégradés étant inverses pour le carbone et le manganèse, les changements de clarté doivent être moins brusques pour le Bessemer, et c’est ce qui a lieu en effet.

Parmi les trois groupes 2, 3, 4, le groupe 3 doit être attribué au manganèse, l’oxyde de carbone ne fournissant pas de raies dans cette région; le fer donnant dans cette même région des raies voisines de celles du manganèse, on s’explique facilement la présence des raies doubles : 83.25 et 84.00, 86.25 et 86.75, 88.25 et 88.75.

Le groupe 2 est dû à la superposition des spectres du carbone et du manganèse : 70.25 serait une raie du manganèse, 72.75 une raie de l’oxyde de carbone dégradée à droite, 71.25 une raie du manganèse dégradée à gauche, ce qui donne lieu à une partie très éclairée. Le fer influe peut-être aussi sur ce groupe.

Quant au groupe 3, il est dû également à la superposition des raies du manganèse et du fer, et la raie 106.50 forme le bord droit de la bande Mn (y) et le bord gauche d’une série de raies dues à l’oxyde de carbone, s’étendant dans la partie la plus réfrangible du spectre (voir les travaux de Morren et Salet, Ann. cliim. phys., 1865-73).

D’autres raies, plus isolées que les raies vertes, prouvent d’une manière complète la présence du spectre de l’oxyde de carbone; ce sont les raies 38.10, dégradées vers 39.00, et principalement les raies rouges 41.00 et 42.00 correspondant aux longueurs d’onde 612 et 610. Ces dernières offrent un intérêt particulier au point de vue industriel; dans le cas d’opérations très chaudes elles sont souvent plus nettes que les raies vertes ; elles disparaissent plus brusquement et presque sans oscillations dès que 72.25 s’est évanoui, mais

fer (métallurgie du). — 743 — fer (métallurgie du).

nier, on a l’habitude, dans la plupart des aciéries, d’observer le moment où l’on devrait arrêter pour rails et de prolonger l’opération de quelques secondes (voyez Déphosphoration, période de sursoufflage). Cette méthode laisse beaucoup à l’arbitraire, tandis qu’en se guidant sur la disparition des raies rouges (41.00 et 42.00) et sur le groupe 4 on a un arrêt presque mathématique.

Pour l’acier dur, on devra arrêter au moment où, le groupe 2 ayant disparu, les raies 41.00 et 42.00 vacillent; pour un acier demi-doux, on devra attendre la disparition complète de 41.00 et 42.00 et presque complète du groupe 1, et enfin, pour un acier extra doux on ne devra arrêter que lorsqu’il n’y aura plus aucune raie, même dans le groupe 4. Nous pensons que l’examen des raies rouges donne lieu à un résultat plus précis que celui des raies vertes, au moins pour les aciers doux.

Si on fait le dosage du carbone sur des éprouvettes prises à la fin de l’opération, mais avant addition d’alliage de manganèse, on en trouve environ 0,200 °/0 à 0,250 °/„, lorsque l’opération a été arrêtée avant la disparition complète des raies rouges. Dans le cas où l’on aaltendu la disparition de ce groupe (il .00 et i2.00), on netrouveplusque 0,150 % de carbone, teneur inférieure à tous les dosages de carbone faits sur les aciers doux, en exceptant toutefois les véritables fers fondus soudaines n’ayant guère que 0,400 % de carbone.

En recherchant le manganèse dans les mêmes éprouvettes nous n’en avons trouvé que des traces (quelquefois même point) : ce qui est en rapport avec l'analyse spectrale, les raies du manganèse disparaissant avant celles du carbone. Cependant dans les usines où l’on traite des fontes extra nianganésées et pures, et où l’on coule sans addition, les éprouvettes finales, par suite d’un arrêt prématuré, contiennent encore 0,200 °/0 à 0,300 “/„ de manganèse (Suède, Autriche, etc.). Certains auteurs ont pensé que le silicium pouvait exercer une influence sur les groupes de raies de la région verte; mais, cet élément brûlant principalement dans la première période, il ne nous parait pas probable que cette opinion ait une valeur scientifique.

Enfin, il faut encore signaler le groupe de huit raies comprises dans la région violet extrême ; elles sont probablement dues au carbone et n'existent que dans les opérations très chaudes. Nous les avons vues très nettement pendant une marche en minerais carbonatés contenant quelques mouches de pyrite cuivreuse ; mais les ayant retrouvées dans des cas différents, nous hésitons à décider si elles sont dues à l’oxyde de carbone ou au cuivre, quoique le chlorure de cuivre dans le gaz en donne do très analogues. (Voir Spectres lumineux, par Lecoq de Boisbaudran.)

Nous avons reproduit presque complètement le spectre fourni par la flamme du Bessemer en introduisant simultanément dans la flamme d’un four à vent :

4° Du chlorure de calcium ordinaire;

Des oxydes de manganèse, dits régénérés, provenant do la fabrication industrielle du chlore ;

3° Du perchlorure ou du sulfate de fer.

Il n’y manquait que quelques-unes des raies bleues, lacune due précisément à ce que la température de la flamme d’un four à vent est très inférieure à celle du Bessemer ; enfin, en y introduisant de l’oxalate d’ammoniaque ou dé l’acide oxalique, qui par leur décomposition donnent de l’oxyde de carbone, nous avons obtenu des bandes dégradées très analogues à colles du Bessemer, mais d’intensité beaucoup moindre.

En conséquence, nous croyons pouvoir affirmer, jusqu’à nouvelle expérience, que la flamme du convertisseur Bessemer, pendant la seconde période, fournit un spectre formé par la superposition des suivants :

Sodium, lithium, potassium, calcium, manganèse : spectres à peu près complets pendant la seconde période, disparaissant à la fin de la décarburation, sauf la raie double du sodium;

Fer : spectre incomplet, visible seulement à la fin de l’opération ;

Oxyde de carbone : bandes dégradées, dans le vert et principalement dans le bleu, et disparaissant presque en môme temps que les raies du manganèse, et en outre les raies 41.00 et 42.00, qui paraissent appartenir certainement à l’oxyde de carbone.

Le carbone fournit du reste un grand nombre de spectres suivant les circonstances, et il est probable que dans le Bessemer il existe un spectre de l’oxyde de carbone particulier aux conditions dépréssion et de température très élevée qui existent pendant l’opération.

Des résultats plus circonstanciés que les précédents et comparés à des spectres obtenus, en se rapprochant des conditions de haute température du Bessemer, seraient à coup sûr pleins d’intérêt et donneraient peut-être un moyen encore plus fécond que l’analyse chimique pour déterminer les vitesses relatives d’élimination des divers éléments des fontes dans l’opération Bessemer, sur laquelle il y aurait encore beaucoup à dire, mais encore plus à chercher.

Dans son mémoire, déjà cité, sur la fabrication de l’acier Bessemer aux usines d’Oboukow, M. Tchernofl' fait observer que l’influence prédominante sur la qualité du produit réside dans la conduite même du travail; les conditions essentiellement requises sont : l’absence de carcas dans la poche ou dans la cornue, l’obtention de lingots propres pouvant se marteler à température élevée sans criquer.

A ce point de vue, il considère trois allures types d’opérations Bessemer :

4° L 'allure normale;

2° L’allure froide ;

3° L’allure exlrachaude.

Ses observations, quoique relatives au traitement en seconde fusion, trouvent leur application même dans les ateliers qui opèrent en première fusion.

L’allure normale est analogue à celle que nous avons prise comme type dans l’étude du spectre. Dans l’allure froide, comparativement à l'allure normale, la pression, dès le commencement, augmente par suite de l’obstruction des tuyères, la machine souillante va moins vile, le spectre très nettement visible ne présente rien de particulier, si ce n’est une grande richesse de raies qui se dédoublent facilement avec une fente déliée, et qui sont toujours plus nettes que dans l’allure normale. La lenteur de la première période indique une allure froide, et pendant la seconde période la flamme est plus épaisse, les étincelles abondantes, et le vent traversant un métal plus pâteux que dans l’allure normale donne lieu à un bruit sourd. Le commencement de la troisième période donne un spectre peu distinct, mais la seconde moitié de cette période fournit par contre un spectre net, complet, ne ' différant que peu du spectre normal ; enfin, l’apparition de la première raie rouge à la gauche du spectre au commencement de la troisième périodo est un peu tardive.

La quatrième période est courte, et l’addition du spiegel produit un bouillonnement, et une flamme moins intense que dans l'allure normale. Ce dernier fait est à rapprocher de ce que nous

FER (MÉTALLURGIE DU). - 7 kk - FER (MÉTALLURGIE DU).

avons dit sur les arrêts prématurés (allure froide) et les arrêts tardifs (allure extrachaude).

Le travail en allure froide ne paraît pas exercer une mauvaise influence sur la qualité de l’acier; les lingots sont plus bulleux que dans l’allure normale, mais ils se laminent bien ; le grand inconvénient est d’avoir de nombreux fonds de poche, car le métal n’est pas, dans la poche, protégé contre le refroidissement par les scories qui, étant toujours plus ou moins pilleuses en allure froide, restent en partie dans le convertisseur.

Dans une allure extrachaude, les étincelles de la première période sont plus fines et plus nombreuses que dans l’allure normale; la flamme de la deuxième période est plus transparente, plus bleuâtre (?), suivant Tchernoff, que dans l’allure froide. (Il est des opérations froides en première fusion, donnant lieu à des bandes bleues et violettes, quoique la flamme ne soit pas aussi transparente.)

La raie du sodium, dans une allure extrachaude, scintille longtemps avant de se fixer, le spectre est obscur et consiste en une série de raies isolées, ce qui est diamétralement opposé à l’allure froide; la pression du vent est moindre, la machine va plus vite et le bruit est faible; la flamme ne devient très brillante qu’à la fin de la troisième période, et l’arrêt de l’opération est peu net, les raies oscillent longtemps, les opérations, suivant l’expression du métier, sont longues à tomber et la flamme est toujours entourée de vapeurs blanchâtres qui sont un caractère distinctif des opérations finies chaudes. On peut remédier à cet inconvénient en abaissant le convertisseur pendant quelques instants et laissant refroidir un peu le métal.

En allure chaude, il est toujours bon de prolonger les opérations, si l’on veut avoir un métal se traitant bien au martelage et au laminage; les scories et le métal coulent bien, et il est à remarquer que dans le cas d’un métal très chaud les scories se boursouflent et débordent de la poche. (Le même fait se présente au four Martin.)

Dans un certain nombre d’usines, traitant des fontes chaudes, on ajoute pendant l’opération des matières froides, fontes, bouts de rails, etc. C’est un moyen de refroidir les opérations; mais, suivant Tchernoff, ces additions, qu’elles soient faites à un moment ou à un autre de l’opération, sont irrationnelles ; il considère que l’on ne diminue pas ainsi la teneur en silicium du produit final, qui est soujours inférieur en qualité par le seul fait d’une allure chaude; il pense qu’il serait préférable, dans les contrées où l’on n’a que des fontes siliceuses à sa disposition, de faire repasser les carcas et bouts de rails au haut fourneau ou au cubilot, afin que la fonte à traiter soit moins chaude. Ces conclusions résultent d’expériences personnelles, faites aux aciéries d’Oboukow, expériences qui ont démontré que l’on pouvait passer au cubilot une grande quantité d’acier, et avoir ainsi au Bessemer une allure normale, même en partant de fontes extrasiliccuses.

M. Tchernoff indique également les relations suivantes pour le traitement en seconde fusion (4 périodes) :

1° La durée totale de l’opération normale est égale à deux fois la première période, plus la seconde ;

2° La durée totale de l’opération en allure froide est plus petite que cette somme ;

3° La durée totale en allure extrachaude est toujours supérieure à cette somme.

Ces observations sont à rapprocher de celles de Roscoë, qui prétend qu’au seul aspect du spectre on peut prévoir, dès le commencement de l’affinage, la durée totale de l’opération Bessemer. Ce serait là un moyen précieux de dosage pour les

métaux spéciaux ; mais il est à remarquer que ces appréciations ne peuvent avoir une réelle valeur que pour un praticien; un chef d'atelier, en effet, peut souvent indiquer en voyant le début de l’opération (et cela au seul aspect de la flamme) la durée totale de l’affinage ; le spectroscope pourrait sans doute donner une évaluation plus précise de cette durée.

Essais de scoiiies. — Toutes les considérations que nous avons données en ce qui concerne la marche générale des opérations, ainsi que le moment de leur arrêt, soit à l’aspect de la flamme, soit à la disparition des raies du spectre, se rapportent aussi bien aux fontes traitées en seconde fusion qu’à celles traitées directement du haut fourneau. Il est bien clair, en outre, que tout ce qui a rapport à l’étude spectrale s’applique aux usines où l’on ne traite que des fontes moyennement manganésées, puisque, somme nous i’avous dit, lorsqu’on opère sur des fontes trop chargées en ce dernier élément, les fumées produites obscurcissent la flamme, empêchent l’emploi du spectroscope et nécessitent, pour l’arrêt des opérations, l’examen des scories.

Nous prendrons pour exemple les usines d’Autriche, et en particulier celle de Reschitza, où l’opération Bessemer ne pouvant être arrêtée au spectroscope, on a recours aux essais de scories que nous résumons ici :

1° Lorsqu’une plaquette de scorie, cueillie dans le convertisseur à l’aide d’un ringard ou d’un crochet et rapidement refroidie, présente une cassure variant du brun jaunâtre clair au jaune citron, on peut admettre que l’on a dans le convertisseur un métal compris entre le n° 3 et le n° 4 de l’échelle de Tunner (voir plus loin , Classification des aciers), ayant une teneur en carbone comprise entre 0,750 et 0,900 °/„ maximum.

2" Une scorie variant du brun jaunâtre foncé plus ou moins orangé correspondrait, d’après des documents publiés par Reschitza, à un métal contenant 0,600 °/0 de carbone, c’est-à-dire voisin du n° 4 de l’échelle de Tunner.

3° Une scorie brune ou brun clair correspond au métal à 50 kil. de résistance maxima, soit un métal à 0,500 ou 0,450 % de carbone et exempt de manganèse.

4° Dès que la scorie se fonce en couleur et passe du brun clair au brun foncé plus ou moins noirâtre, on obtient un métal peu carburé à 0,300 °/„ environ de carbone, correspondant au n° 6 de l’échelle de Tunner.

5° Si la scorie devient brun-noirâtre et brillante avec un mélange de bleu, ce qui correspond à la disparition des raies vertes et ensuite des raies rouges, le métal obtenu est un véritable fer fondu (nous parlons du cas de fontes initiales, fortement manganésées) à 40 ou 42 kilogrammes désigné sous le n° 7 deNeuberg, et ne contenant plus que 0,200 à 0,150 % de carbone.

Il est bien entendu, et nous insistons sur ce point, que ceci s’applique à des fontes obtenues avec des minerais manganésifères de Styrie et de Carinthie, traitées dans la plupart des cas en seconde fusion; le métal à 0,150 % de carbone peut, seulement dans ce cas, subir le laminage, parce qu’il provient de fontes pures et riches en manganèse. Ce n’est plus du tout le même cas pour les fontes françaises, et un métal sortant du convertisseur et correspondant à une scorie noire, à la disparition des raies rouges, est extrêmement difficile, pour ne pas dire impossible à laminer.

Ces observations sur la nature des scories sont à rapprocher de celles relatives à l’arrêt des operations Martin, dans le cas spécial de métaux extradoux ou de métaux coulés sans soufflures (voir

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plus loin ces fabrications) ; nous ferons seulement observer dès maintenant que les nuances varient d’un procédé à l’autre, et que l’habitude d’examiner les cassures de scories joue un rôle très imponant dans l'observation et l’appréciation de la nature d’un bain d’acier donné ; ainsi, par exemple, le métal à 0,200 % de carbone correspond souvent au Martin à une scorie vert olive plus ou moins foncé, suivant l’allure du four, tandis qu’au Bessemcr le même métal correspond à une scorie dont la nuance tire plutôt sur le bleu-noirfttre que sur le vert bouteille, sans doute parce que l’oxydation est plus considérable dans ce dernier procédé.

Sans insister plus longuement sur l’emploi des scories, et après avoir indiqué la marche générale des opérations Bessemer, ainsi que les différentes allures, normale, froide et extrachaude, il nous reste à donner quelques chiffres permettant d’étudier et de construire des tables ou des diagrammes relatifs à l’élimination des divers éléments (entrant dans la combustion des fontes) pendant les diverses périodes du soufflage.

La science expérimentale possède de nombreuses analyses do métal correspondant aux diverses phases de l’opération ; ces analyses permettent d’étudier la manière dont se comportent les éléments de la fonte pendant l'opération, tandis que d’autre part les analyses de gaz (fort intéressantes du reste) et les caractères extérieurs de la flamme, ou même 60n examen spectroscopique, ne permettent guère que de suivre le mode d’élimination du carbone ; il est bien évident que, pour se rendre compte des réactions, il est nécessaire d’analyser les gaz, les métaux, les scories. Il est difficile que les prises d’essai représentent exactement la moyenne ; mais les résultats fournis par l’expérience sont, en tout cas, des données suffisantes pour se rendre compte de la marche générale de l’opération Bessemer.

MM. King, Kupelwieser, Snelus, Tamm,etc.,ont fourni, sur ces différents points, des résultats d’expériences personnelles, relatifs, il est vrai, à des cas particuliers, mais qui, étant fort intéressants, ne peuvent être omis ici.

FER (MÉTALLURGIE DU)

M. Ch. King, de Newport, dans un travail présenté au meelingdes ingénieurs américains, tenu au lac Supérieur, en août 1880, a étudié les réactions chimiques qui se passent dans le convertisseur Bessemer acide lorsqu’on traite des fontes pauvres en manganèse: c’est un cas particulier, mais les analyses de métal et de scories données par cet auteur sont fort instructives au point de vue de l’étude de l’élimination des différents éléments contenus dans la lonte, et nous les avons choisies comme type pouvant servir à des études ultérieures. M. King prit lui-même des échantillons aux aciéries de Bethléem (Pennsylvanie) pendant une opération dont la durée totale fut 18 minutes. Il fit les analyses sur :

1° Fonte initiale chargée dans le convertisseur;

2° Trois échantillons de métal pris à différents moments de l’opération ;

3“ Echantillons de métal pris à la fin de l’opération;

4° Spiegel additionnel;

5° Acier, produit final;

6° Scraps chargés dans le convertisseur ;

7° Cinq échantillons des scories correspondant aux diverses prises de métal.

Analyse du métal aux diverses périodes. — M. King étudia spécialement:

Le carbone à l’état de graphite ;

Le carbone combiné;

Le manganèse ;

Le silicium.

a. Carbone. Les tableaux et diagrammes cijoints montrent que pendant les 8 premières minutes de l’opération le carbone diminue seulement de 9.30 % de sa quantité primitive (le carbone de la fonte, lorsque celle-ci a été refroidie, est pour la plus grande partie laissé libre à l’état de graphite, par suite de la présence du silicium); mais lorsque le silicium est oxydé, (à la fin des 8 premières minutes du soufflage), le carbone reste à l’état combiné; la légère perte est due à ce fait que le carbone a moins d’affinité pour l’oxygène que le manganèse et le silicium, au-dessous d’une certaine température, tandis qu’au-dessus cette affinité croit rapidement. Toutefois, pendant que le silicium et le manganèse s’oxydent

analyses de métal a différents moments de l'opération bessemer acide.

NUMÉROS des échantillons.

MOMENT de la prise des échantillons.

Fonte

chargée.

Après 8 minutes do

soufflage.

Après 15 min.

Après 17 min.

Après 18 min.

Spiegel.

Produit

final.

Scraps.

Densité

Manganèse

Carbone total ....

Graphite

Carbone combiné.

Silicium

Phosphore

N. B. Les Chili

res du table

au sont des

moyennes d

e deux série

:s d'analyse<

plus rapidement que le carbone, à des températures voisines du point de fusion de la fonte, la combustion de ces éléments élève la température du bain jusqu’au moment où le carbone brûle, ce qui caractérise la deuxième période.

Au bout de 15 minutes de soufflage, la perte de carbone fut de 04.783 °/0 de sa quantité primitive; au bout de 17 minutes, de 91.168 °/ et à la fin de l’opération (18 minutes) de 09.Ü4 °/0.

Cette seconde période se distingue par une élé-

vation de température, une rapide élimination du carbone par oxydation, en donnant principalement de l’oxyde de carbone avec plus ou moins d’acide carbonique. La perte de carbone est plus grande pendant les derniers 2/9 de la deuxième période qu’à aucun autre moment de l’opération, mais il reste encore dans le bain de petites quantités de graphite, aussi bien que de carbone combiné jusqu’à la fin de l’opération (voir les tableaux ci-joints).

D’après Kessler, qui a examiné les produits des aciéries d'Osnabrück, il y aurait une légère augmentation do carbone au bout de 4 minutes, puis une légère diminution au bout do 9 minutes, lorsque la proportion est peu différente de ce qu’elle était au commencement ; le seul moyen plausible d’expliquer ce fait est de remarquer

que le départ du manganèse et du silicium tond a augmenter la proportion relative des autres éléments dans le bain.

b. Le silicium commence à s’oxyder pour donner de la silice dès le commencement de l’opération, et cette réaction continue jusqu’à la fin.

I La perte est de 54.60 °/0 au bout de 8 minutes 5

Fig. 51

— Variations des teneurs en manganèse, carbone, silicium et phosphore pendant l'opération Bessemer acide,

d'après M. King.

de 96.504 °/0 au bout de 15 minutes; de 97.61 °/„ au bout de 17 minutes, et à la fin (18 minutes) de 98.33 %. La perte après addition du spiegel est de 97.56. °/0 de la quantité totale primitive de la fonte et du spiegel réunis. La plus grande perte relative a lieu pendant les 8 premières minutes.

c. Manganèse. Au bout de 8 minutes de soufflage, la perte de manganèse est de 69.46 % ; de 72.94 °/0 au bout de 15 minutes; de 73.753 %au bout de 17 minutes; de 79.53 à la fin. Après addition du spiegel, la perte est de 46.904 °/0 de la quantité totale primitive de la fonte et du spiegel réunis. (Voir les travaux de M. Ford sur la quantité de manganèse théoriquement nécessaire pour la désoxydation du bain.) De môme que pour le silicium, c’est pendant la première période que le départ du manganèse est le plus rapide.

Analyse des scories. — En ce qui concerne les scories, M. King a porté son attention principalement sur la silice, les oxydes de fer et de manganèse et sur le fer, à l’état de grenailles interposées.

a. Silice. Les chiffres des tableaux suivants montrent un accroissement de 62.64 °/0 de silice à 75.63 % depuis la fin de la première période jusqu’à la 17° minute, c’est-à-dire presque la fin de l’opération ; toutefois cette diminution est moindre pendant les derniers instants et tombe à 61.29 %, pour remonter à 64.15 après addition du spiegel.

Il est à remarquer que le silicium diminue dans le métal au même moment (17 à 18 minutes) et que cette décroissance de 14.34 “/„ de silice doit être attribuée à l’oxydation du fer à l’état de protoxyde, diminuant ainsi la quantité

ANALYSES DE SCORIES A DIFFÉRENTS MOMENTS DE l’OPÉ RATION BESSEMER ACIDE.