BESSEMER ACIDE

Le convertisseur Bessemer est en tôle rivetée et garni intérieurement de terre réfractaire plus ou moins argileuse, soit sous forme de briques superposées, soit à l'état de pisé fortement damé contre la paroi.

Cette terre réfractaire est siliceuse et constitue ce qu'on a appelé le garnissage acide par opposition au garnissage basique dont nous parlerons plus loin.

Il convient, toutefois, de noter ce fait que dans un convertisseur Bessemer acide on ne peut traiter que des fontes provenant de minerais purs, exempts surtout de phosphore.

La raison en a été déjà donnée au sujet du puddiage : la silice de la paroi déplace, de ses combinaisons avec les bases, Tacide phosphorique résultant de la combustion du phosphore; celui-ci est réduit à son tour par l'oxyde de carbone lors de la décarbu ration, et finalement le phosphore ne peut être éliminé de la fonte soumise à l'affinage.

L'étude du Bessemer acide aura donc trait à l'affinage d'une fonte non phosphoreuse.

Article 1". — Historique du procédé

Dans ses recherches sur les métaux à canons, Bessemer reconnut, en 1854, l'avantage que présenterait l'adoption d'un métal plus dur et plus élastique que le bronze. Il fut ainsi amené à chercher un moyen de produire en grande masse l'acier fondu, et après avoir inutilement tenté de réaliser dans un four à réverbère la fusion d'un mélange de fonte et d'acier, il finit par arriver à l'idée d'employer simplement un courant d'air froid pour effectuer l'affinage ; il comptait sur la chaleur dégagée par l'oxydation des substances étrangères contenues dans la fonte pour produire l'élévation de température nécessaire à l'obtention de l'acier fondu.

Les premières expériences de Bessemer eurent lieu à Baxterhouse (faubourg de Londres) et furent eftectuées dans un creuset de 18 kilos

METALLURGIE DU FER

chauffé dans un four à creusets ordinaire, et pourvu d'un trou de coulée pour l'évacuation du métal fondu et d'un tube central en argile

Fig. 100. —Appareil primitif de Besseiner, P'g- iOl . — Appareil de Sainl-Panrras

par lequel on introduisait le vent. On y fondait 4 à 5 kilos de fonte que Ton soufflait ensuite.

Après cet appareil primitif vient la cornue fixe employée aux expériences publiques de Bessemer à Saint- Paneras, en 1856, à soufflage latéral.

Avec cette disposition, il était impossible d'interrompre l'opération pour faire une prise d'essai, car la fonte remplissait les tuyères à chaque arrêt du vent. Aussi Bessemer fut-il amené à rendre son appareil mobile. Les fiifures ci-dessous indiquent les divers dispositifs essa^'és

Fig. 102. — Première Fig. 103. — Cornue rotative à tuyères émergentes (1856 cornue rotative (1856), environ).

par cet inventeur avant d'arriver au type de convertisseur actuellement en usage.

Les cornues expérimentées sont rotatives, le trou de coulée se trouve dans l'axe des tourillons, de sorte que l'on pouvait facilement couler

le métal dans des lingolières placées au-dessous. En disposant ses cornues de la sorte, Bessemer avait surtout en vue de faire circuler le métal afin que toutes ses parties fussent également attaquées par le vent.

Bientôt suivit la cornue rotative à tuyères émergentes qui, elle aussi, pivotait concentriquement à son bec de coulée et qui avait, en outre, l'avantage d'avoir sa tuyère au-dessus du. bain quand on introduisait la fonte liquide ou quand on versait Tacier fondu.

On arrive enfin, vers 1858, à la cornue rotative perfectionnée ; cette forme diffère' fort peu de celle qui est aujourd'hui adoptée dans presque toutes les intallations Bessemer,

Bien des difficultés pratiques restaient à surmonter au point de vue de l'élaboration du métal lui-même ; aussi les critiques et les négations des savants parurent-elles justifiées pendant quelque temps, puisque le silence se fit tout à coup sur les recherches de l'inventeur. C'est que Bessemer ne pouvait ni oxyder S et Ph contenus dans les fontes anglaises assez impures qu'il employait, ni enlever du produit final l'oxyde de fer qui se formait pendant l'opération.

Heureusement M. Granson, maître de forges suédois, eut l'idée d'appliquer ce procédé dans son pays, et le 5 janvier 1859, commença

Fig» lOi et 105. — Cornue rotative perfectionnée (1858).

à traiter dans un convertisseur des fontes au bois suédoises. Le procédé réussit et s'étendit Bssez rapidement dans ce pays ; les convertisseurs employés furent tout d'abord fixes et à tuyères latérales, ils constituèrent le type Suédois. .

Le métal qu'obtenait Bessemer, surchargé d'oxyde de fer, restait

23 i MÉTALLURGIE DU FER

sans corps, il ne pouvait que difficilement supporter le martelage ou le laminage et il se produisait des criques si nombreuses dans le travail à chaud qu'on se demandait si jamais le succès serait possible, lorsqu'on attribua, avec raison, à la pureté et à la richesse en manganèse des fontes traitées la réussite du procédé en Suède.

Robei't Mushety qui avait déjà travaillé la fabrication d'alliages carbures de fer et de manganèse, eut l'idée de communiquer au métal Bessemer quelque amélioration en ajoutant dans le convertisseur une certaine proportion de spiegeleisend'vl//^?nfl/7W^. L'effet fut merveilleux, le métal cessa d'être rouverin, il- se martelait ou se laminait aisément, sans qu'il se produisît de gerçures.

Qu'on marchât sans spiegel comme en Suèdes parce que les fontes traitées étaient suffisamment riches en manganèse, ou qu'on marchât avec additio7i du spiegel comme en Angleterre, le succès du procédé Bessemer était assuré.

En 1839, les premiers aciers Bessemer parurent sur le marché et purent être vendus à un prix inférieur au cours. Il n'y avait plus à nier l'évidence ; aussi, se résignant à acheter des minerais purs à* Algérie et à' Espagne, les industriels anglais se décidèrent-ils à adopter le procédé Bessemer.

Quant à l'explication du rôle du manganèse, elle trouvera sa place lors de l'étude théorique du procédé : on s'en préoccupa fort peu à l'époque. Bessemer avait été si bien convaincu du rôle important qui incombait au manganèse qu'il prenait en 1861 un brevet pour la fabrication d'un alliage de manganèse^ fer et silicium auquel il donnait le premier le nom de ferro-nianganèse et qu'il destinait à remplacer l'addition de spiegel.

Le ferro-manganèse de Bessemer était fabriqué au creuset par un mélange intime de fonte en grenailles, d'oxyde de manganèse, de verre pilé (fondant siliceux) et de charbon de bois en poudre, ainsi qu'il a été antérieurement expliqué lors de l'étude spéciale du ferro-manganèse. Le métal obtenu avait 60 0/0 de manganèse et très peu de silicium; son prix fort élevé fut un obstacle à sa vulgarisation ; il resta inconnu sur le continent. L'industrie dut se contenter, pendant de longues années, d'utiliser les spiegeleisen dont la teneur en Mn ne dépassait pas 10 à 12 0/0. Nous verrons plus tard dans quel but Bessemer, et avec lui de nombreux métallurgistes, s'ingéniaient à pouvoir fabriquer des fontes manganésées à très forte teneur en manganèse.

Article 2. — Convertisseur et usine ressemer.

i. Le convertisseur Bessemer.

A. — Convertisseur proprement dit, — C'est une sorte de vaste cornue à col très court ayant au minimum 1 m. 50 de diamètre extérieur et de 2 à 3 mètres de hauteur. L'enveloppe est constituée par des plaques de tôle de 15 mm. d'épaisseur environ assemblées à boulons et est garnie intérieurement d'une couche de 25 à 30 cm.

de sable argileux très réfractaire, fortement damé ou, plus rarement, d'une épaisseur de briques superposées à plat.

Le convertisseur est supporté extérieurement par

une frette en fer munie de

Fig. 106. — Convertisseur Ressemer vu de face deux tourillons reposant sur (dispositif d'arrivée du vent).

des paliers en fonte.

L'un des deux tourillons est creux, il sert de conduit au vent : il communique à cet effet d'un côté avec la machine soufflante, de l'autre

au moyen d'un tuyau recourbé avec le fond du convertisseur formant boîte à vent.

L'autre tourillon est plein et porte un pignon engrenant

avec une crémaillère fixée Fig. d 07. — Convertisseur. — Coupe au niveau ,.,.,.,,. i

des tourillons. à I extrémité horizontale

d'un cylindre hydrauHque.

La cornue peut ainsi prendre un mouvement de rotation autour de

Taxe de ses deux tourillons.

B. — Boîte à vent et tuuères. — La boîte à vent est- la partie délicate de la cornue ; située à sa partie inférieure, elle est reliée à son armature par des boulons à clavettes faciles à manœuvrer.

Elle sert de réservoir au vent sous pression qui lui est amené du tourillon creux ; de là, le courant d'air se distribue dans le bain de fonte par un très grand nombre de petits canaux parallèles ménagés dans des organes spéciaux appelés tuyères.

Chaque tuyère se compose d'un tronc de cône ou de pyramide moulé en terre réfractaire à la façon des briques, et percé d'une série de conduits cylindriques (de 6 à 12 environ) ayant à peu près un centimètre de diamètre. Ces tuyères au nombre de 6 à 20, réunies en une seule masse à l'aide d'un pisé réfractaire de 50 à 70 cm. d'épaisseur analogue à celui qui forme le garnissage latéral, constituent le fond de la cornue.

Le nombre des canaux amenant l'air dans le convertisseur varie entre 100, 150, 200 et même davantage.

Les tuyères constituent un point faible pour

l'appareil : refroidies d'un côté par le courant d'air,

chauffées de l'autre à très haute température par le

bain de fonte, elles se désagrègent et fondent facile-

p- .Ao ment.

Fig. 108.

Si une tuyère devient défectueuse on la bouche avec une balle d'argile. On peut ainsi boucher jusqu'à quatre ou cinq tuyères en cours de travail.

Lorsque plusieurs d'entre elles sont réduites à une faible épaisseur, on les enlève à coups de masse et on les remplace par des tuyères neuves en lutant de nouveau les joints avec du ciment réfractaire. Mais ce mode d'opérer est long et pénible ; il entraîne des interruptions prolongées, carie travail ne peut recommencer qu'après dessiccation au moins partielle du mastic nouveau.

C. — Fonds mobiles, — Il vaut mieux préparer par avance un certain nombre de fonds mobiles ; on en substitue un en entier au fond dégradé, au lieu de remplacer isolément les tuyères usées. C'est en Amérique qu'on a pour la première fois fait usage des fonds mobiles : cette innovation a permis d'augmenter le nombre d'opérations par 24 heures. Le fond est boulonné à la boîte à vent qui est elle-même boulonnée à la

cornue : les boulons sont à clavette pour que le montage et le démontage se fassent rapidement.

Les fonds de rechange sont torréfiés avec soin dans une étuve, comme les moules pour fonderie en sable recuit. '

On peut d'ailleurs adopter deux modes généraux de , fabrication : fixer les tuyères dans un massif de pisé battu

(fig. 109); ou bien remplir I

les intervalles de briques moulées A, B, C, préalablement cuites et rejointoyer le tout à l'aide d'un coulis réfractaire (fig. 110 et 111).

Ce dernier mode exige une cuisson moins longue mais

Fig. i09. — Cornue Besscnier avec fond mobile en pisé recuit (le bec étant enlevé).

B, Boite à vent. — P, Fond en pisé. -^ y, Tourillon. V. Conduite du vent soufflé

donne un fond moins homogène.

L'assemblage du fond et de la boîte à vent se fait à

l'armature de la cornue (fig. 110), ou bien on boulonne la boîte à vent au fond et celui-ci à la cornue (fig. 109).

Lorsqu'un fond nouveau doit être mis en place, on enduit de ciment

Fig. liO. — Fond mobile formé de briques moulées jointoyées par du pisé. — Coupe MNOPQAqXh figure \\\.

réfractaire sa surface tronconique et on le presse ensuite comme un tampon dans l'emplacement qui lui est réservé. Après cela, on achève

METALLURGIE DU FER

Fig. 111. — Cornue Bossemer. — Plan.

de luter le joint en y bourrant fortement du dehors du ciment réfractaire en pâte ferme. Cette opération peut se faire tandis que la cornue est encore incandescente, de sorte que le remplacement d'un fond s'opère facilement en moins de deux heures, après quoi le travail peut être repris sans autre arrêt.

Les dimensions des convertisseurs dépendent des charges qui sont -de 5, 7 à 10 tonnes et même plus, ceux de 5 à 6 tonnes sont les plus ordinaires.

Le haut de la cornue se termine en forme de col ou de bec légèrement infléchi suivant un plan normal à Taxe de rotation, ce qui facilite le chargement et la coulée et permet de diriger les flammes et les produits gazeux de raffinage sous la hotte d'une cheminée d'évacuation, élevée à demeure au-dessus de l'appareil.

IL — Usine Bessemer

Une usine Bessemer comprend, en général, une ou plusieurs paires de cornues conjuguées.

Auprès des deux cornues est une poche de coulée, grand récipient en tôle de fer garni intérieurement de terre réfractaire, destiné à répartir entre les récipients l'acier sortant de l'un ou de l'autre des convertisseurs conjugués. Cette poche de coulée est portée par une puissante grue hydraulique qui se compose d'un fort plateau horizontal en fonte ou en tôle, fixé en son milieu sur un arbre pouvant se mouvoir verticalement comme un piston plongeur sous l'action de l'eau comprimée.

Opposée à la poche de coulée et à l'autre extrémité du plateau horizontal se trouve une forte masse servant de contrepoids.

Un mécanisme simple permet de faire tourner horizontalement tout

le système autour de l'arbre vertical, de façon à pouvoir amener successivement la poche de coulée au-dessus des récipients (1) métalliques ou réfractaires dans lesquels on doit verser Tacier sortant des convertisseurs.

Les cornues conjuguées peuvent se trouver Tune par rapport à l'autre dans deux positions différentes.

Dans Tarrani^ement recommandé par Bessemer lui-même et çénéra-

Fig. Ii2.

lement adopté dans les usines d'Europe, les deux cornues sont en face Vune de Vautre et la fosse de coulée est réduite à une demi-circonférence.

(1) Ces récipients, de formes généralement simples, prennent le nom de lingotières ;\t métal qu'on en retire après le refroidissement s'appelle lingot. Quand ces récipients sont constitués en matériaux réfractaires et donnent, de par leur forme appropriée, l'objet luimême à fabriquer sans qu'il soit besoin de le façonner à chaud, ils prennent le nom de moules.

240 MKTALLrnCIB DU FER

Dans les nouvelles aciéries américaines, on place les cornues parallèlement et peu éloignées Tune de l'autre; la fosse de coulée se compose alors d'un cercle presque entier et les trois quarts en sont libres pour le maniement des récipients destinés à recevoir Tacier. Dans la plupart des usines, le mouvement de rotation des convertisseurs s'obtient par Teau sous pression agissant sur un piston couché dont la tige horizontale prolongée en crémaillère actionne directement le pignon- tourillon de la cornue. L'autre tourillon, qui est creux, ouvre et ferme comme

Fig. il 3. — Bessemer à crémaillère verticale.

S, bâti général de l'appareil. — H, cylindre hydraulique dans lequel se meut le piston A, qui donne le mouvement à la crémaillère L, au pignon P, et, par suite au convertisseur Bessemer C. — B^, chariot supporté sur un cylindre hydraulique et servant à changer les fonds de l'appareil Bessemer.

un robinet le passage du vent. En couchant la cornue horizontalement'

eu eu

ta

242 MÉTALLURGIE DU FBK

le vent cesse d'y arriver.; en la relevant, on rétablit la communication entre la boîte à vent et la machine soufflante.

On rencontre aussi des Bessemerà crémaillère verticale quand l'espace dont on dispose dans Tatelier est limité. La figure (page 240) suffit pour faire comprendre le dispositif employé.

Pour la conduite générale d'une opération Bessemer, le contremaître qui en est chargé se tient derrière une table d'où il peut apercevoir tout son atelier. Il a sous la main trois manivelles : avec la première il règle l'introduction du vent dans le convertisseur, avec la deuxième il transmet la pression hydraulique sur une des faces du pistondont la tige porte la crémaillère qui fait basculer l'appareil, avec la troisième il commande la grue hydraulique qui porte la poche de coulée.

A un niveau supérieur à celui des cornues se trouvent souvent des cubilots destinés à fournir la fonte à affiner quand on marche en deuxième fusion, ce qui n'est pas le cas général. Par cette disposition, on , évite les monte-charges hydrauliques ou autres et la fonte est directement versée dans les convertisseurs à Faide d'un chenal garni de terre réfractaire.

On peut voir sur l'une des figures précédentes le chargement de la cornue par une poche de coulée portée par un wagonnet roulant sur rails et amenant directement la fonte coulée du haut-fourneau. Cette poche de coulée arrive au niveau convenable, soit par un plan incliné à l'aide dé dispositifs mécaniques à crémaillère, soit par un montecharges disposé à cet effet.

Enfin, on rencontre aussi au niveau des cubilots des fours à réverbère destinés à refondre, le cas échéant, les fontes additionnelles qui serviront de réactif dans l'élaboration de l'acier.

Pour une paire de convertisseurs pouvant traiter chacun n tonnes de fonte, on emploie, afin de ne pas manquer de- venty deux machines soufflantes ordinairement accouplées, capables d'aspirer chacune par minute 23 à 30 X n mètres cubes d'air à la pression atmosphérique et de les envoyer dans le convertisseur à une pression variant de 114 cm. à 132 cm. de mercure.

Le vent doit avoir, à son arrivée, une pression suffisante pour vaincre la résistance due à la hauteur du bain de fonte au-dessus des orifices des tuyères, le frottement à l'intérieur des tuyères, etc.

En général, la puissance de la soufflerie est de 60 chevaux par tonne de fonte chargée dans les convertisseurs.

FABRICATION DES FKRS BT ACIERS FONDUS 243

Art. 3. — Marche d'une opération jusqu'à l'arrêt

Comme on Ta dit plus haut, la fonte à affiner peut venir du hautr fourneau, du cubilot ou du four à réverbère.

Au point de vue de l'économie, il y a intérêt à marcher en première fusion, cependant au point de vue non pas de la qualité (car au hautr foumeau on peut avoir d'excellents produits), mais de la replanté des produits, on devra donner la préférence au cubilot ou au four à réverbère.

En France^ en Angleterre et en Allemagne où le coke est assez abondant, on ne craint pas de recourir au cubilot, mais il y aune tendance de plus en plus marquée, depuis quelques années, à marcher en première fusion.

C'est aux usines de Terrenoire en 1867 que fut inaugurée la marche au Bessemer, avec une fonte venant directement du haut-foumeaii.

Dans les régions où le coke est trop oher et où l'on tient cependant à marcher en deuxième fusion, la fonte peut être fondue sur la sole d'un four à réverbère avant d'être versée dans le convertisseur.

Avant d'introduire la fonte, on chauffe le convertisseur au rouge blanc en y brûlant du coke sous l'action d'un vent léger.

Quand il est chaud on ^erse, en le retournant, le coke qu'il contient et on le place dans une position horizontale, le hec en dessus pour qu'on puisse j iatroduire la charge. Celle-ci peut se loger dans la vaste panse de la cornue sans pénétrer dans les tuyères et n'occupe qu'une fraction relativement faible du vide total de l'appareil.

On redresse le convertisseur en donnant en même temps le vent pour que la fonte, au moment du relevage, ne pénètre pas dans les trous des tuyères.

- L'affinage commence aussitôt sous l'action des filets d'air comprimé qui traversent le bain métallique. Il se termine après 30 minutes au maximum et se divise en trois périodes qu'on peut assez nettement distinguer et dont la durée relative est du reste fort variable, suivant la nature des fontes traitées. Ces trois périodes sont :

1"*). — Période de scorification ou des étincelles (formation d'oxydes fixes).

244 MBTALLTJROIR DU PRR

2®). — Période de décarburation ou des flammes (formation de CO et C0«).

3<»). — Période des fumées (combustion du fer).