MULTIPLES

Un silicate formé

La fusibilité a son

Pour un même rapport

d'une base fusible est

maximum pour les

entre la teneur en de

1 d'autant plus fusible

silicates compris en-

l'acide et des bases, les si-

qu'il renferme une

tre les bi et les tri si-

licates sont d'autant plus

plus grande quantité

licates.

fusibles qu'ils renferment

1 de base.

un plus grand nombre de bases.

Cela posé, le laitier sera fusible selon les proportions relatives des trois corps constituants silicCy alumine et chaux et la nature des silicates formés.

TENEUR EN SiO^

TENEUR EN Al^O*

TENEUR EN CaO

La teneur en SiO^ variera entre 30 et 60 0/0.

F^e degré d'acidité varie alors ' du prolo au trisilicate.

Les bisiiicates correspondant à peu près au maximum de fusibilité ont une teneur en SiO^ variant de 45 à 50 0/0.

APO^plus que CaO tend à rendre les laitiers réfractaires, il en faut donc très peu mais assez cependant pour que le laitier ne se rapproche pas trop d'un silicdt« simple. Jusqu'à une teneur de 17 0/0, AIW ^e comporte comme une base ; au delà, elle joue le rôle d'acide, les laitiers sont alors des silicoalu minâtes.

La teneur en. AIW sera : 18 0/0 au maximum 10 à 12 0/0, en général, 8 au minimum.

La proportion de CaO varie de 20 à 50 0/0. Le

, CaO rapport jr^^, sera compris entre 2 et 3 0/0.

M.U. Le Verrier auquel uousempruntons un grand nombre de ces considéralions pratiques indique pour le maximum de fusibilité les proportions suivantes: S i03= 450/0; CaO = 40 0/0:Al'O»=15 0/0.

Les laitiers seront plus réfractaires selon qu'on augmentf^ra AI^O' ; ils seront en même temps basiques si on augmente CaO.

Eu résumé, pour une bonne fusibilité des laitiers :

— Si03 variera entre 30 et 60 0/0 Al*03 — 8 et 18 0/0

CaO — 20 et 50 0/0

B. — Propriétés des laitiers. — Les laitiers acides, c'est-à-dire ceux qui ont plus de 40 0/0 de SiO"* ont une structure vitreuse après refroidissement.

A la coulée, ils s'échappent lentement comme le verre, se refroidissant aussi peu rapidement que lui : leur chaleur spécifique est considérable.

Ces laitiers peuvent s'étirer, avant que le refroidissement ne soit trop avancé, en fils assez longs.

Quand la proportion de silice augmente, ils restent vitreux et deviennent plus visqueux en coulant par suite très difficilement.

Les laitiers basiques, c'est-à-dire ceux qui ont moins de 40 0/0 de SiO^ ont une structure pierreuse s'ils sont principalement calcaires ; porcelanique, s'ils renferment de l'alumine : ils ont une moindre chaleur spécifique et se figent rapidement.

Quand ils sont fondus, ils sont très fluides surtout quand à la silice, à l'alumine et à la chaux viennent s'adjoindre des oxydes métalliques (Mn ou Fe).

On les appelle courts parce qu'on ne peut les étirer en fils.

Quand ils sont très calcaires, c'est-à-dire pour une teneur de 55 0/0 de chaux, ils tombent en poussière après refroidissement sous l'action de l'air humide. On dit alors qu'ils fusent. Ils se figent au sortir de l'ouvrage et tombent en gouttes séparées ou se figent instantanément au contact du ringard; souvent même, s'ils deviennent trop basiques en cas de dérangement d'allure, on est obligé de les enlever à la pelle dans le creuset.

Slls ne renferment pas (ff oxydes métalliques^ et c'est ce que nous supposons pour l'instant, ils sont bfancs ou grisâtres.

II. — Laitiers à silice, alumine^ chaux, et autres hases multiples. Outre les trois corps constituants silicCy alumine et chaux, les laitiers

peuvent contenir d'autres bases métalliques (Oxydes de fer et de manganèse); de la magnésie et de la baryte.

Il est rare que le laitier soit sans traces d'oxyde de fer, car il ne peut se faire que le pouvoir réducteur de C ou de CO s'exerce intégralement. La présence de l'oxyde de fer dans le laitier ne suffit pas pour causer un changement dans la qualité du métal, s'il y entre en trop petite quantité. Dans ces conditions la couleur du laitier, s'il est basique, d'une cassure grise légèrement bleuâtre pour les fontes noires (1), devient jaune sale, brune avec les fontes blanches, noire enfin avec les fontes d'allure froide surchargées en oxyde de fer. Si le laitier est acide, la coloration va du vert au noir; l'allure devenant de plus en plus froide.

La proportion d'oxyde de fer peut aller jusqu'à 2 0/0.

S'il y a exagération d'oxyde de fer, ce qui prouve que la réduction ne peut se faire à la suite de dérangementsextraordinaires dans l'allure, il peut y avoir engorgement du haut-fourneau, soit formation d'un loup.

L'oxyde de manganèse peut se trouver dans les laitiers en plus fortes proportions que l'oxyde de fer; en allure de spiegel (2) ou de ferro-mançanèse les laitiers sont colorés en vert soit par l'oxyde de manganèse qui y domine, soit par un peu de sulfure de manganèse.

En marche ordinaire, le manganèse donne aux laitiers acides des teintes d'améthyste, aux laitiers basiques des colorations vertes ou jaunes.

D'une manière générale, les oxydes inétalliqties de fer ou de manganèse qui sont des bases fondantes, augmentent la fluidité des silicates constituant les laitiers et teintent leur couleur.

Les laitiers présentent souvent une coloration bleue qu'on attribue au titane ou au vanadium.

Dans certaines fabrications on peut être amené à ajouter au lit de fusion de la magnésie et de la baryte {soit du sulfate de baryte) ^ ou Tune

(1) Les fontes ^me.f obtenues à haute température ont la plus grande partie de leur carbone précipité à l'état de graphite, les fontes noires ont la quantité de graphite maxima.

Les fontes blanches obtenues à plus basse température ont la plus grande partie de leur carbone à l'état dit combiné ou dissous.

Les fontes froides sont des fontes blanches obtenues avec une allure encore moins chaude, elles marquent la limite des fontes blanches et dus aciers sauvages.

(2) Un spiegel est une fonte manganésée ayant 4 à 20 ou 25 0/0 de manganèse, un ferro manganèse en contient de 20 ou 25 0/0 à 80 ou 85 0/0.

OU l'autre de ces deux bases, quelquefois même du spath fluor y des alcalis, etc....

a) Magnésie. — Presque tous les calcaires apportent de la maçnésie, on trouve donc presque toujours cette base dans les laitiers. Parfois on en ajoute spécialement soit pure, soit sous forme de dolomie (carbonate double de chaux et de mag^nésic).

La chaux et la maçnésie se substituent l'une à l'autre ; avec des laitiers basiques l'emploi de la ma<^nésie pourra être très utile, car par l'adjonction d'une base nouvelle, la fusibilité sera augfmentée et le laitier rendu plus basique qu'avec la chaux seule.

Il ne faudra pas toutefois que la proportion de magnésie soit exagérée, car cette base forme des silicates simples très réfractaires.

Le rapport entre la chaux et la magnésie ne sera pas inférieur à 3 ou à 4.

b) Baryte. — En introduisant la baryte, on aura des laitiers encore plus fusibles, car on introduit une nouvelle base qui est, en outre, plus fondante que la chaux. Elle est d'un prix élevé, et c'est ce qui limite son emploi.

En remplaçant une partie de la chaux par de la baryte, on peut diminuer la proportion des deux bases réunies et augmenter celle de l'alumine sans arriver à des laitiers infusibles, comme ony serait arrivé avec la chaux seule. C'est un moyen d'avoir des laitiers peu basiques et riches en alumine.

Quand on emploie le sulfate de baryte, on n'introduit pas pour cela forcément du soufre dans la fonte; car ce sulfate étant décomposé à haute température, une partie du soufre s'élimine à l'état d'acide sulfureux, le reste passant en totalité ou en très forte proportion à l'état de sulfure de baryum sous l'action réductrice du carbone.

Ce sulfure de baryum passe au laitier.

c) Spath fluor, — On ajoute quelquefois du spath fluor au lit de fusion, et spécialement dans certains cubilots; ce corps produit une action efficace sur la fusibilité des laitiers, 2 0/0 suffisent pour agir sur la fluidité d^9 sHicates et les délayer. Toutefois, dès que la température du vent atteint 690 à 700<>, le fluor s'élimine àTétat de fluorure de silicium rendant * incombustibles les gaz du gueulard sans s'incorporer au laitier.

d) Alcalis. — Leur présence agit sur les laitiers, quelques centièmes autcmentent leur fusibilité, mais leur prix est trop élevé et les roches

alcalines sont trop siliceuses pour que leur introduction dans le lit de fusion soit avantageuse.

e) Remarque sur les sulfures des laitiers. — Les laitiers ne sont pas exclusivement composés de silicates; on y rencontre aussi des sulfures provenant de l'élimination du soufre ; le soufre nes'éliminantpas, selon toute apparence, à Tétat de sulfate.

Ces sulfures donnent des colorations spéciales d'un brun-jaunâtre, notamment dans les laitiers acides.

Ils consistent en sulfures de manganèse, de calcium, de baryum, d'aluminium, etc..

Voyons dans quelles conditions ces corps peuvent se former en procédant à l'étude de la désulfuration au haut-fourneau.

III. — Désulfuration et déphosphoration ou passage du soufre et du phosphore aux laitiers.

Nous nous proposons de rechercher dans quelles conditions on peut se débarrasser du soufre et du phosphore existant dans les charges du haut-fourneau.

Le soufre passe dans la fonte, probablement à Tétat de sulfure de fer qui se trouve disséminé irrégulièrement dans le métal : il diminue la résistance de la fonte et est surtout nuisible dans les fontes destinées à être traitées pour fournir des fers ou des aciers.

Le phosphore passe dans la fonte à l'état de phosphure de fer ; nous avons déjà dit aux notions préliminaires combien ce métalloïde était nuisible dans les fers et les aciers.

Tandis que l'expulsion du soufre contenu dans les fontes est à peu près impossible dans les procédés d'élaboration des fers et des aciers, celle du phosphore est possible.

Nous étudierons plus tard comment a été résolu le problème de la déphosphoration des fontes.

Il" n'est pas moins vrai que toutes les fois qu'on pourra ne pas introduire de phosphore dans une fonte on sera d'autant plus (Sûr d'arriver à un produit de meilleure qualité.

Voyons dans quelles conditions peuvent s'éliminer ces deux métalloïdes :

A. — Désulfuration. — Le soufre se trouve dans le minerai et dans le

combustible à l'état de sulfures, quelquefois dans le minerai à Tétat de sulfates alcalino-terreux. Faisons abstraction des sulfates pour le moment et supposons que le soufre ne soit qu'à l'état de sulfures.

Le soufre n'est jamais complètement expulsé au haut-fourneau ; mais suivant la nature des fondants et la température développée, il peut en passer une grande partie aux laitiers.

1® Comment le soufre s'élimine-t-il ? L'expérience a montré que les laitiers riches en chaux ou les laitiers manganésifères étaient les plus propres à retenir le soufre. On en conclut que S y est probablement à l'état de CaS et de MnS.

Les réactions seront donc :

(1) FeS + CaOH-C=CaS + GO+Fe

(2) FeS + MnO + C = MnS + 00+ Fe

l'oxygène réduit se portant forcément sur le carbone à haute températurc.

Si l'atmosphère n'était pas réductrice* la formation des sulfures de calcium et de manganèse serait très vite arrêtée en présence de l'oxygène libre, celui-ci se portant sur ks sulfures pour les oxyder. Si même la réaction s'opérait dans une région du fourneau riche en acide carbonique, une transformation identique aurait lieu. ' Mais il sera tout aussi nécessaire pour que ces réactions puissent se produire que le laitier soit basique, c'est-à-dire chargé en chaux.

Si le laitier était acide, c'est-à-dire s'il y avait de la silice, CaOet MnO s'uniraient avec elle pour former des silicates qui sont très difficiles à réduire.

Enfin cette réaction ne paraît se produire qu'à très haute température, le laitier étant assez fluide pour qu'il y ait contact entre lui et la fonte. On prétend même que là se bornerait, en grande partie, le rôle de l'oxyde de manganèse qui donnerait au laitier surchargé de chaux et par suite très réfractaire, la fluidité qui lui fait défaut.

En résumé, l'expulsion du soufre demandera : CaO et MnO dans le lit de fusion — laitiers calcaires et haute température pour les fondre.

II fendra donc marcher en forçant le combustible, c'est-à-dire en allure chaude.

Tandis qu'en allure chaude on peut obtenir une fonte ayant à peine quelques millièmes de soufre, le laitier en contenant 2 ou 3 0/0, on

tK HAUT- FOURNEAU 91

ne peut eii allure froide, c'esUà-dire en marchant au minimum de combustible, enlever plus de la ^ïoitié du soufre de la fonte.

2® Etats du soufre dans le Ht de fusion. — Le soufre peut se (rouver dans le lit de fusion à trois états différents : a) Dans la pyrite mélangée au minerai ; b) dans les sulfures du minerai ; c) dans des sulfates de chaux et de baryte contenus dans la gangue.

a) Soufre de la pyrite du minerai, — C'est le soufre de la pyrite du minerai qui est le plus difficile à éliminer. Les sulfures sont en effet peu réductibles, ils arrivent presque intacts dans la zone de réduction. Le minerai se réduit et la fonte se forme avant que le laitier soit fondu.

Le sulfure de fer se dissout dans la fonte et noyé dans la masse métallique arrive dans l'ouvrage sans avoir eu de contact intime avec la chaux. Il ne faut plus alors compter que sur la réaction superficielle se produisant entre la couche de laitier qui surnage au-dessus du bain de fonte dans le creuset et cette fonte elle-même.

Mais en tous cas cette réaction est incomplète, à moins qu'on n'ait pu mélanger le minerai assez intimement avec la chaux.

C'est ce qui se fait d'ordinaire pour le minerai artificiel constitué par le résidu du grillage des pyrites de fer employées pour la fabrication de l'acide sulfurique. On a soin de le façonner en briquettes agglomérées avec de la chaux avant de l'incorporer au lit de fusion. 11 en résulte, en outre, l'avantage de ne pas introduire, dans ce cas particulier, du minerai pulvérulent dans le haul-fourneau.

b) Soufre du combustible. — Les combustibles ne brûlant que dans l'ouvrage, le sulfure de fer ou le soufre qu'ils contiennent se trouvent protégés contre le contact de la fonte ; ils restent empâtés dans les cendres. Celles-ci viennent se dissoudre dans le laitier et la réaction peut alors s'accomplir dans de meilleures conditions que ci-dessus.

c) Soufre des sulfates, — Les sulfates alcalino-terreux ne se décomposent qu'à très haute température et à ce moment, leur réduction par le carbone donne des sulfures de calcium et de baryum tout formés qui se dissolvent dans le laitier sans réagir sur la fonte, pourvu toutefois que les laitiers soient assez basiques pour les retenir.

Comme BaO, le sulfate de baryte permet d'avoir des laitiers basiques et à la fois très fusibles, ainsi qu'il a été dit plus haut.

B. — Déphosphoration. — Le phosphore se rencontre surtout dans les minerais à l'état de phosphate.

Si le laitier est acide, c'est-à-dire siliceux, les phosphates sont décomposés, la silice chassant l'acide phosphorique de ses combinaisons pour former avec les bases des composés plus fixes. Danscecas, Tacide phosphorique étant libre sera réduit par C ou par CO et Ph passera dans la fonte.

Si le laitier est basique, les phosphates resteront formés tant qu'ils n'arriveront pas dans la zone réductrice à haute température. Arrivés dans cette zone, C et CO les réduiront ; la réduction est d'autant plus faible que l'acide phosphorique est moins énergiquement retenu par les bases.

Pour que l'élimination du phosphore soit possible, il faut que non Seulement les laitiers soient basiques, mais que l'atmosphère soit oxydante. Or, ces conditions ne sont pas réalisables au haut-fourneau; on a vu que, sauf dans les cubilots, l'atmosphère y était toujours réiductrice. ""

C'est lorsque le haut-fourneau marchera en allure froide, c'est-à-dire avec le minimum de combustible, qu'on pourra se rapprocher un peu de ces conditions nécessaires pour déphosphorer.

Quand on marche en allure froide, soit avec le minimum de combustible ou, si Ton veut, avec la proportion maxima de minerai à réduire et de fondants à faire réagir, la réduction est forcément incomplète. Il restera de Toxyde de fer dans le laitier.

Or, cet oxyde de fer est une base énergique qui pourra retenir une partie de Tacide phosphorique. L'oxyde de fer est en effet le seul corps plus réductible que l'acide phosphorique et capable de le protéger contre la réduction.

De tels laitiers occasionnent un très fort déchet en fer et donnent une allure difficile à conserver à cause de l'engorgement possible du fourneau qui est à craindre, la température étant simplement suffisante pour faire fondre et réagir les matières en présence.

Quant aux phosphates qui peuvent se trouver dans les cendres des combustibles, ils seront aussi nuisibles que ceux des minerais.

Il importe d'ajouter qu'ils y sont en très faible quantité.

£n résumé, la déphosphoration ne peut se réaliser pratiquement au haut -fourneau; le traitement des minerais phosphoreux donnera des fontes phosphoreuses : même dans le cas le plus favorable et en supposant qu'on puisse marcher d'une façon continue en allure extrafroide, on n'éliminerait que les 2 '3 du phosphore. Or, une pareille

marche est éminemment dangereuse à cause des engorgements possibles et est très onéreuse à cause du déchet de fer.

Nous verrons ultérieurement comment, en des opérations séparées, on peut réaliser dans un cubilot spécial inventé par M. Rollet la déphosphoration et la désulfuration des fontes.

Cet appareil sera plus utilement étudié lorsque nous traiterons des appareils d'élaboration des aciers.

CnAPrrRE 2®. — Classification des fontes

Anciennement, les fontes obtenues au haut-fourneau étaient classées en un certain nombre de numéros, suivant l'aspect de leur cassure ; cette classification ne pouvait et ne peut encore aujourd'hui être adoptée que pour des fontes obtenues avec les mêmes minerais, dans des conditions analogues, et s'applique en tout cas seulement aux fontes composées en grande partie de carbone ou de fer, avec proportions relativement faibles d'éléments étrangers, c'est-à-dire aux fontes dites foîiles ordinaires.

Dès que les éléments étrangers, manganèse, chrome, silicium, etc.. interviennent en proportions assez notables, l'aspect de la cassure ne permet plus de tirer aucune conclusion certaine : l'ancienne classification n'est alors susceptible d'aucun emploi, il faut avoir absolument recours à l'analyse chimique. Nous verrons à l'étude de ces fontes dites spéciales combien est variable l'aspect de leur cassure, soit pour une de ces fontes déterminées d'après la proportion du corps étranger dominant, soit d'une fonte à une autre.

Nous étudierons d'abord les fontes ordinaires.

Article 1. — Les fontes ordinaires I. — Les fontes d'après Vaspect de leur cassure.

A. — Défmilions. — Les réserves ci-dessus étant faites, on peut diviser les fontes, et quelle que soit leur composition chimique, en trois types principaux au point 4e vue de leur couleur et de la grosseur de leur grain: les fontes grises j les fontes bla^icheSy et les fontes intermédiaires.

Ces divers produits ont des teneurs en carbone qui varient dans d'étroites limites : 2,5 0/0 est un minimum. Dans les fontes spéciales, le

94 MÉTALLVRGIB DU PKR

maximum peut atteindre 12 0/0{cerlains ferro-chronies wtammeM) et même plus.

Ce qui différencie ces fontes, ce n'est pas tant Ja teneur en carbone total -que Tétat dans lequel se trouve ce carboae, comme on va le voir,

1° Fontes grises. — Les fontes grises sont caractérisées par là présence en quantité plus ou moins grande du carbone à l'état de graphite.

Ce graphite est intercalé sous forme de paillettes dans les interstices de cristaux ferreux plus ou moins gros constituant le grain de la masse métallique.

On appelle fontes noires, les fontes très riches en graphite.

La grosseur du grain des fontes grises dépend de la plus ou moins grande proportion dp graphite qu'elles contiennent; elle dépend aussi des conditions dans lesquelles ce corps s'est séparé du métal par précipitation.

Les fontes grises sont d'ordinaire les plus chargées en carbone et en silicium ; mais cette règle n'est pas générale : il existe des fontes grises qui ne renferment pas plus de 3 et même 2,5 0/0 de carbone total.

Cependant tout le carbone de ces fontes ne s'y trouve pas à l'état de graphite; unecertaine quantité beaucoup plus faible, il est vrai, s'y trouve à l'état de carbone vraisemblablement dissous dans le fer. Ce carbone a été appelé par M. Osmond (1) carbone de trempe; on l'appelle quelquefois et fort improprement carbone comb nié ^ pair opposiiion au graphite qui est précipité à l'état libre dans la fonte.

Enfin, il faut dire qu'une certaine partie du carbone se combine au fer, donnant un carbure se rapprochant assez de la formule Fe^C.

Voici à titre d'exemple, et pour mémoire, la composition d'une fonte grise; il est clairque les proportions ci-dessous indiquées varieront pour les différentes fontes grises dans les limites fixées précédemment :

Carbone dit combiné* 0,79 0/0

Graphite 2,6 —

Silicium 2,3 —

Fonte grise ./ Manganèse 0,04 —

Soufre 0,01 —

Phosphore 0,07 —

Le reste en fer

(1) M. Osoioad. ingénieur des arts et manufactures, est l'auteur d'un trë& grand nombre de travaux scientifiques ayant trait à la métallurgie; ces travaux si féconds en résultats de tout ordre, seront analysés dans l'étude du « Travail des métaux t. .

(.e. haut-fouhneau 95

2** Fontes blanches. — Les fontes blanches sont, en général moins carburées, presque tout le carbone y est à l'état dit combiné ou de carbone de trempe. Leur texture est compacte et cristallisée^ mais varie totalement avec la teneur en carbone. Quand celle-ci est faible, la texture est massive, sans fibres ni grains bien apparents ; quand elle est plus forte et approche de 4 à 5 0/0, la texture devient fibreuse ou rayonnée.

Les fontes noires contenant la proportion maxima de graphite sont à Tune des extrémités de la série des fontes. Il faut citer à Tautre extrémité les fontes blanches, dites froides où la teneur en carbone combiné atteint son minimum soit 2,50/0. Au dessous de 2,5 0/0 et jusqu'à 1,5 0/0, les métaux obtenus ne sont plus des fontes mais des aciers dits sauvages qu'on a déjà cités.

Quand il y a du manganèse, la cassure est parfois caverneuse et présente un grain cristallin : ce métal semble empêcher la précipitation du graphite et, s'il est en fortes proportions, la fonte reste blanche même après qu'on a réalisé les conditions nécessaires d'ordinaire pour cette précipitation.

En résumé, il appartient à M. Osmond d'avoir établi que dans les fontes blanches, le carbone improprement appelé combiné est, au contraire, pour la majeure partie, simplement dissous dans le fer dans l'état qu'il a désigné sous le nom de carbone de trempe.

Une partie est cependant combinée, mais cette combinaison ne s'effectue que durant le refroidissement, une fois la solidification effectuée, vers 695®.

Voici, à litre d'exemple, eipour mémoire, la composition d'une fonte blanche ; ainsi qu'on l'a dit pour les fontes grises, les proportions indiquées varieront pour les différentes fontes blanches dans les limites spécifiées :

I Carbone dit combiné . . . 3,41 % Graphite 0,05 Silicium . 0,62

I Manganèse 0,26 Le reste en fer.

3** Fontes intermédiaires. — Les fontes intermédiaires sont comprises entre les fontes grises et les fontes blanches.

On les appelle truiléeSy quand elles présentent des taches crises sur un fond blanc ou des taches blanches sur un fond gris.

On les appelle rubannéeSy lorsque le gris et le blanc sont nettement séparés en zones bien tranchées.

Ces fontes sont le résultat évident d'une allure qui a varié dans la marche du haut-fourneau ; car, grise ou blanche, la fonte correspond en principe à une allure nettement définie, comme on le verra.

Cependant, il importe de signaler que le refroidissement exerce une influence sur les diff'érents aspects des fontes à la cassure, et c'est pourquoi, dans un classement de diverses fontes, on devra toujours observer si elles ont été coulées dans des rigoles en sable conduisant mal la chaleur ou dans des moules métalliques provoquant, au contraire, un refroidissement beaucoup plus rapide.

Nous reviendrons plus loin sur ce point important.

B. — Causes déterminant la précipitation du grapliite. — Plusieurs causes concourent à provoquer le dépôt de graphite et la formation de. la fonte à gros grain.

M. ringénieur des mines Ferd. Gautier, dans son mémoire si documenté sur les alliages ferro-métalliques (Exposition universelle de 1889) traite cette question métallurgique du plus haut intérêt d'une façon complète. Nous en donnerons ici une analyse succincte.

1® Influence du silicium. — 11 était accepté depuis longtemps par les métallurgistes « qu'on pouvait faire varier la teneur en graphite des « fontes en leur ajoutant ou en leur enlevant du silicium. »

Des expériences complètes et concluantes donnant confirmation entière de ce fait n'avaient point encore été tentées lorsqu'en 1885, M. Thomas Turner, professeur en Angleterre, commençait, devant la Société chimique de Londres, une série de communications relatives à l'influence du silicium sur les propriétés de la fonte.

Nous ne parlerons pas ici des modifications qu'apporte à leurs propriétés la présence du silicium dans les fontes, nous contentant d'examiner le rôle que joue ce corps dans leur constitution intime.

M. Turner arriva à conclure qu'il était nécessaire, pour qu'une fonte fût grise, qu'elle contint un certain minimum de silicium.

Si cette conclusion était juste, on devait revenir à la fonte blanche en enlevant à la fonte la majeure partie de ce silicium.

Or, dans les diverses méthodes d'élaboration des aciers ou des fers,

LE HAIJT-FOURNEAC 9Î

le silicium disparaissant le premier dans Taffinûge, on peut arrêter Topéralion 9ssez tôt pour que la fonte grise traitée ait simplement perdu une certaine partie de son silicium, sans que les teneurs en autres éléments étrangers aient été sensiblement altérées, ou même enlever pour la couler séparément une certaine quantité du métal ainsi partiellement affiné.

On constate toujours à la cassure du métal refroidi que la fonte grise traitée est devenue blanche un peu après le commencement de raffinage.

L'ancienne opération du mazéage sur laquelle nous reviendrons avait pour but de faciliter le traitement ultérieur des fontes grises dans les appareils affineurs. En réalité, le résultat que l'on obtenait était l'enlèvement de la majeure partie du silicium en rendant la fonte blanche.

On pouvait alors réaliser Taffinage rapide des fontes blanches, tout en maintenant à la fonte toute sa fusibilité et en lui conservant presque tout son carbone.

Nous verrons, en effet, combien la présence du silicium en assez forte proportion est un obstacle à la rapidité des opérations.

Restait à traiter le problème inverse, à savoir: transformer une fonte blanche en fonte grise par addition de silicium.

L'addition de silicium fut réalisée en refondant ensemble dans un cubilot la fonte blanche à transformer avec une certaine quantité de fonte spéciale riche en silicium (ferro-silicium).

La fonte devint grise.

L'expérience démontra qu'il n'existe pas de fouie grise ayant une teneur en silicium inférieure à i 0/0 et qu'on était assuré de transformer une fonte blanche en fonte grise en complétant ce qui lui manquait de silicium pour arriver à une teneur de 2 0/0 environ.

On voit de suite quel parti les fonderies de fonte purent tirer de ce fait. La fonte blanche ne convient pas, en effet, pour certains usages {fabrication de pièces en fonte par voie de moulage notamment) \ on pouvait donc la transformer à son gré en telle ou telle nuance désirée de fonte grise, par simple fusion, avec une addition de fonte riche en silicium et fabriquée, en conséquence, par des procédés spéciaux.

On peut présenter l'explication de ces faits de deux façons différentes :

a) Le silicium laisse le carbone dans une solution de fer insuffisante pour le dissoudre. — La fonte grise à l'état liquide se compose d'une

dissolution dans le fer fondu de corps solides, liquides el gazeux ; durant le refroidissement et la solidification de la fonte, ces divers éléments se précipitent suivant leur ordre de fusibilité : d'abord le fer pur ou légèrement carburé, puis vers liSO® un siliciure de fer qui probablement correspond à la formule Fe*Si, puis plus tard encore (dam les fontes phosphoreuses)^ vers 900% un pkospho-carbure de fer.

Après la solidification du siliciure de fer, il reste dans l'intérieur de la masse de fonte une solution de carbone dans le fer qui se solidifie à son tour.

Si elle est sursaturée, le carbone en excès se précipite sous forme dç graphite durant ce refroidissement et entraîne une partie du carbone qui aurait pu rester dissoute.

Le silicium aurait donc pour effet déconcentrer le carbone dans une quantité de fer insuffisante pour le maintenir dissous à Télat solide.

Le manganèse, au contraire, augmente la solubilité du carbone et combat l'action du silicium.

b) La prJcipi talion du carbone par le silicium est la résultat de r inégale solubilité de ces corps dans le fer, — La solubilité du carbone dans le fer est limitée.

On la représente d'ordinaire par Fe'^C sans qu'on soit bien certain de la valeur numérique à donner à m. Il reste entendu qu'on ne saurait attribuer à ce symbole le caractère d'une combinaison.

Or, celte solubilité du carbone est influencée par la présence d'autres corps en plus ou moins grande proportion dans le fer.

C'est ce qui a lieu, par exemple, pour le manganèse et le chrome. Une fonte chromée (ferro-chromej peut avoir jusqu'à 12 0/0 de carbone combin; ou dissons; une fonte manganésée (ferro-manganène) n'en a guère plus de 6 à 7 0/0.

Si pour transformer une fonte grise on la refond avec du ferro-silicium à p 0/0 de manganèse on obtiendra une précipitation du carbone beaucoup plus nette que si on la refond avec un ferro-silicium à même tLMieur en silicium mais ayant np 0/0 de manganèse.

Au contraire, la so'nbilité du silicium dans le fer est/7//;w//f'>,Carona montré qu'on peut dissoudre le silicium dans le fer en toutes propor-

tiOMS.

D'autre part, au point de vue thermochimique, MM. Troost et Hautefeuille ont prouvé que la dissolution du carbone dans le fer absorbe

de la chaleur, tandis que la dissolution du silicium dans le fer se fait avec un léçer dégagement de chaleur.

Le déplacement du carbone par le silicium est dû à une précipitation chimique : le plus soluble des deux corps précipitant celui qui Test le moins ; celui qui produit un dégagement de chaleur se substituant à celui qui en absorbe.

2^ Moyens ctinlrod'ùre du silicium en quantité suffisante pour que la fonte soit grise. — Si Tallure du haut-fourneau est chaude, c'est-à-dire si on marche avec excès de combustible et si le lit de fusion est réfractaire, la fonte sera grise.

Le laitier peut être rendu réfractaire de trois façons : par excès de silice, de chaux ou d'alumine.

a) Les laitiers siliceux ont une tendance à faciliter la réduction du silicium, parce que la silice n*est pas retenue par les bases; mais il faudra pour cela une action réductrice énergique, sinon la silice tend à se combiner à Toxyde de fer. La réduction devra être réalisée avant que la fusion commence et avant que le silicate de fer puisse se former. Une fois l'oxyde combiné à la silice on ne pourrait la réduire qu'avec une température très élevée et une énorme dépense de charbon.

b) Si on emploie des laitiers calcaires (et c'est le cas presque général des hauts-fourneaux marchant au coke, car ces laitiers sont épurateurs par rapport au soufre), la marche en fonte grise sera plus difficile.

Or, de pareils laitiers sont très réfractaires : si la nature du minerai est telle et si la température du haut-fourneau est suffisante pour que la réduction. ait pu s'opérer en grande partie avant que la fusion soit complète c'est-à-dire avant que la silice ait pu s'unir à la chaux, on peut espérer introduire assez de silicium dans la fonte pour qu'elle devienne grise.

Une pareille marche offrira plus de difficultés que la précédente.

c) Si on emploie des laitiers alumineux la fabrication des fontes grises sera plus facile, car Talumine base faible ne retient pas énergiquement la silice et s*oppose moins que la chaux à la réduction du silicium.

La difficulté de la marche proviendra alors de ce que ces laitiers sont très difficiles à fondre ; on augmentera leur fluidité en ajoutant dans le lit de fusion, et en petites quantités, des bases telles que la magnésie, l'oxyde de manganèse et surtout la baryte.

En résume', pour fabriquer de la fonte graphiteuse, il faudra que la fusion dans l'ouvrage soit précédée d'une réduction presque complète

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et que par conséquent la gangue ne soit pas trop fusible, en forçant le combustible.

Il y aura par suite excès de silicium, la silice ayant pu être réduite avant la formation complète des laitiers ; mais, il y aura aussi, en général, excès de carbone absorbé, provenant de la surélévation de température, de l'excès du combustible par rapport au minerai ou de sa nature.

Cet excès de carbone absorbé, corrélatif de Texcès de silicium, contribuera aussi pour sa part, lors du refroidissement de la fonte, à la précipitation du graphite.

3*») Influence du refroidissement. — On a dit que la fonte grise à Pétat liquide n'était qu'une dissolution dans le fer fondu de certains corps en proportions très variables. Dans le refroidissement et la solidification de la fonte, ces corps se précipitent suivant leur ordre de fusibilité. Ne considérons parmi ces éléments que le carbone.

Toutes les transformations qui s'opèrent pendant le refroidissement exigent un certain temps pour s'accomplir; un refroidissement brusque maintient la situation originelle relativement intacte, cest le principe de la trempe.

Considérons une fonte qui, par refroidissement lent après sa coulée (dans des rigoles en sable par exemple), eût pris le grain de la fonte grise ; si on la coule dans un moule à parois métalliques, c'est-à-dire provoquant un refroidissement rapide au moins près de la périphérie, elle blanchira sur une certaine épaisseur. On dit qu'elle s'est trempée.

En réalité, le carbone dissous uniformément dans la fonte alors qu'elle était à l'état fluide n'a pas trouvé le temps nécessaire pour se précipiter à l'état de graphite, la solidification s'étant opérée avec plus de rapidité jusqu'à une certaine distance de la surface.

L'épaisseur et le volume du moule métallique (en fonte généralement) appelé coquille influent sur le degré de trempe par la raison qu'ils influent sur la vitesse du refroidissement de la fonte qu'on y coule.

Nous ne saurions parler ici des procédés de coulée en coquille, ils ressortissent à la seconde partie de ce Traité soit au « Travail des métaux ».

C. — Des allures du haut- fourneau. . — Le haut-fourneau est un appareil permettant d'obtenir les produits les plus divers selon le choix judicieux des matières premières, la constitution du lit de fusion et un chaufi'age convenable du vent.

Régler l'allure d'un haut-fourneau, c'est déterminer l'ensemble des conditions nécessaires pour que cet appareil produise telle ou telle qualité de fonte donnée.

Les principales conditions à déterminer pour régler l'allure sont :

La composition de la charge ;

La proportion du combustible ;

L'état du vent soufflé aux tuyères : sa température, sa pression, le poids du vent lancé par minute, etc..

A chaque fabrication et avec un profil intérieur déterminé de hautfourneau correspond une allure dont on ne peut guère s'écarter.

La nature de la fonte est le critérium principal de l'allure et l'objectif même qu'on se propose d'atteindre.

a) Dans Tallure normale, les laitiers se produisent régulièrement et coulent facilement sans être trop fluides ; après refroidissement, ils sont presque homogènes et contiennent peu d'oxyde de fer.

Le bruit du vent aux tuyères est régulier; le mouvement de descente des charges est uniforme.

La température des gaz du gueulard n'est pas très élevée ; quand on ouvre l'appareil de fermeture on les voit s'échapper régulièrement par toute la section du fourneau, sans vivacité, ni lenteur. Si on enflamme ces gaz (en y plongeant une barre de fer portée au rouge cerise) ils brûlent avec une flamme violacée et une fumée blanche.

Quand la couleur de la flamme est bleuâtre, c'est que le feu est aux charges : la température est trop haute, il y a trop d'oxyde de carbone produit.

Quand la flamme est languissante ; cela provient du tassement des matières solides qui empêchent l'arrivée du vent.

Soitun haut-fourneau produisant une fonte déterminée, voyons comment on pourra modifier l'allure de cet appareil.

b) Allure chaude. — Si on diminue le poids de la charge de minerai, sans modifier en rien les autres conditions du fonctionnement, la quantité de combustible brûlé sera la même, mais l'allure deviendra plus chaude; de même, si on marche avec excès de combustible.

La fonte deviendra donc plus carburée et plus siliceuse, les laitiers seront moins fluides car le calcaire du fondant y dominera (c'est en effet la castine qui est généralement employée avec le coke).

Une allure extra-chaude expose à des engorgements, car les laitiers deviennent trop réfractaires. Dans ce cas, en effet, la zone de fusion

s'élève et le feu prend aux charges ; la réduction s'opère alors à haute température elles gaz du gueulard sont chargés en CO ; la température baisse au-dessous des tuyères et le creuset se refroidit puisque la fonte et le laitier diminuent.

c) Allure froidd. — Si on augmente le poids de la charge de minerai ou si pour un mârae poids de la charge normale on augmente la richesse du minerai, l'allure du haut-fourneau deviendra moins chaude, les fontes seront moins carburées et les laitiers, contenant un peu plus d'oxyde de fer, prendront une teinte plus foncée et perdront de leur fluidité. La réduction deviendra de moins en moins complète, à mesure que l'allure deviendra de moins en moins chaude ; on arrivera à la production des fontes truitées, puis à celle des fontes blanches.

Pour marcher à une température plus basse il faut naturellement des laitiers plus fusibles.

Le maximum de fusibilité s'obtiendra avec des laitiers moins calcaires et plus acides que ceux de fonte grise. Ces laitiers retiendront moins le soufre et la fonte sera moins pure ; elle sera, il est vrai, un peu moins phosphoreuse.

Le seul caractère qui soit constant aux laitiers de fonte blanche est la présence de l'oxyde de fer qui suffit pour rendre leslaitiers notablement plus fusibles sans que rien soit changé aux proportions respectives des autres éléments. On peut donc, avec le même lit de fusion^ passer d'une allure à une autre en modifiant la proportion du combustible.

Mais la marche en fonte blanche sera toujours plus facile avec une charge fusible ; si elle est réfractaire, l'allure froide ne pourra se réaliser qu'en laissant passer dans le laitier beaucoup d'oxyde de fer pour le rendre fluide à température modérée. De pareils laitiers seront très corrosifs et la marche sera précaire.

En augmentant la température du vent, on produit les mêmes modifications dans l'allure qu'en diminuant la charge.

Si on augmente le poids du vent lancé par minute dans le haut-fourneau, la descente des charges s'accélère et on peut tomber en allure crue.

d) Allure crue L'allure crue est dangereuse ; elle résulte soit d'une

trop grande vitesse du fourneau, soit d'une surcharge trop forte de minerai. Elle ne donne que des fontes blanches et caverneuses.

L'allure crue provenant d'une trop grande vitesse du fourneau est

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très mauvaise, car elle peut amener Tengorg-ement au bas du fourneau en formant un loup.

L'allure crue par surcharçe de minerai est quelquefois employée à dessein pour obtenir des fontes à très bas prix dans le cas où l'on traite des minerais très réductibles.

Si Ton auçmentç encore la charge de minerai ou la ricliesse du lit de fusion, la fonte devient de moins en moins carburée et Ton finit par avoir une fonte assez décarburée pour se rapprocher de l'acier ; c'est de Ta'^ier sauvage, obtenu dans certains hauts-fourneaux de Styiie, métal d'une dureté extrême qui sert à fabriquer les filières.

Les laitiers d'allure crue se refroidissent très vite; ils ren'^erment de 10 àl3 0/Od'oxyde defer et sjnl bruns noirs, très lourdsjscoriacés^etc...

Cette allure est à éviter en principe, car on est à la limite de l'engorgement.

ey Allure rapide. — Nous avons dit plus haut que si l'on augmentait le poids du vent lancé par minute, la descente des charges s'accélérait et pouvait même occasionner l'allure crue.

Et cependant, à priori, il y a intérêt à accélérer l'allure pour augmenter la production, à réaliser ce qu'on a appelé Vallure rapide.

Nous devons aux travaux si remarquables de M. l'Ingénieur de Billy sur la a Fabrication de la fonte » des données fort précieuses sur la réalisation de l'allure rapide. Nous ne citerons des nombres que lorsque nous traiterons de l'organisation du haut-fourneau et de ses accessoires; pour le moment bornons-nous à des indicatiois générales.

C'est en a'çissant sur le proSl du haut-fourneau qu'on pourra obtenir l'allure rapide.

Si l'on veut brûler plus de coke on doit, pour ne pas changer la répartition des températures dans la hauteur du fourneau, augmenter d! abord la section d'i creuset. Or, cette augmentation de section conduit à donner au vent une pression plus grande.

« V élargissement ducreuset^r élévation dsla pressiondu vent^ telles « sont les conditions essentielles d'une forte production (de Billy). » En outre, il y a lieu de régler en conséquence la capacité du fourneau et de donner aux étalages une pente raide^ afin de faciliter la descente des charges.

Les remarquables résultats obtenus aux Etats-Unis par l'allure rapide furent publiés pour la première fois en Europe au Congrès de l'Ironand steel Institute de 1890 et y causèrent un vif étonnement.Onne

connaissait, en effet, que les graves inconvénients de Tallure crue; on objectait aussi que les revêtements des hauts-fourneaux s'usant plus rapidement, il faudrait dépenser en réparations une grande partie des économies réalisées sur les frais généraux, la main d'œuvre et la consommation de coke.

Il est certain que Tallure rapide n'est pas sans inconvénients :

La chaleur sensible des gaz du çueulard est relativement grande, quoique on puisse y obvier en donnant au fourneau une plus grande hauteur. — Le combustible est moins bien utilisé ; car, avec une allure rapide, la chaleur monte forcément et les charges arrivent plus vite dans les régions à température élevée où le carbone solide intervient.

La réduction pouvant devenir trop imparfaite, l'allure crue peut se réaliser.

En revanche, la rapidité de l'allure présente de grands avantages :

Les pertes par rayonnement et conductibilité sont très notablement réduites; d'où, grande économie de combustible.

Il y a un contact plus complet entre le minerai et les gaz réducteurs, ceux-ci filtrant plus régulièrement à travers la masse solide; d'où, moins de gaz et par suite moins de combustible pour enlever au minerai une même proportion d'oxygène.

Enfin, tout compte fait, il semble démontré qu'on réstlise une économie sensible de combustible en marchant rapidement : cette économie s'ajoute au bénéfice incontestable résultant d'une production intensive.

Ajoutons pour terminer cet aperçu un peu sommaire que l'exemple des Etats-Unis commence à être suivi en Europe. En France les essais de production rapide sont encore fort timides.

Nous croyons avec M. l'Ingénieur de Billy que « ceux qui se sont <( engagés dans la voie des grandes prodiicUons ont aujourd'hui lieu de « s'en féliciter f car le progrès est vraiment là, et à moins de se « condamner à une réelle infériorité de fabricaliony tous se voient « contraints de suivre ce mouvement. » — (De Billy, Revue des progrès récents de la métallurgie du fer).