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Procédé pour fabriquer du ferro-silicium sain
La présente invention se rapporte à des alliages magnétiques, et plus particulièrement à un-,procédé pour produire une qualité supérieure de ferro-silicium pour servir d'alliage magnétique.
La valeur du ferro-silicium pour cet usage dépend beaucoup de l'état plus ou moins sain du métal, de sa teneur en silicium, de sa teneur en carbone et de la température à laquelle les lingots sont fondus. Par état sain du métal, il faut entendre un métal exempt de laitier et d'autres matières solides telles que la silice.
Il est très important que les lingots soient fondus à une certaine température, ce qui, avec les procédés de fabrication ac- tuels, est difficile à cause de la réaction exothermique qui se produit quand le silicium et le fer se combinent dans la cuiller ou la poche de fonderie pour former des siliciures.
Il importe aussi de n'avbir que des variations aussi petites que possible dans la teneur en silicmum par rapport à la teneur spécifiée. Avec les procédés actuels, la teneur en silicium d'un alliage de fer et silicium contenant plus de 2% de silicium varie considérablement; parfois cette variation dépasse 0,5%. Le procédé
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considéré ici consiste à ajouter la quantité totale de silicium désirée, soit dans la cuiller, soit dans le four; quand la chaleur est au degré voulu pour la coulée; les erreurs ordinaires sur le poids, les pertes de métal et la suroxydation du bain contribuent à produire des variations.
Le degré exact de variation est rarement indiqué par l'analyse parce que, dans les procédés ordinaires d'analyse, la silice exis- tant dans l'acier est déterminée et représentée en silicium; pour cette raison, il importe de retirer autant que possible la silice avant le métal soit coulé, en lingots.
Un des objets de l'invention est de procurer un moyen industriel de produire des alliages magnétiques tels qu'un fer silicieux, ou ce qu'on appelle l'acier silicieux, qui soient exempts de laitier et d'autres matières solides, telles que la silice. L'invention aenoore pour objet de procurer un procédé pour produire ces alliages, par lequel la teneur en silicium peut ère contrôlée avec une grande approximation, c'est-à-dire à 0,1% ou 0,2% près, et de procurer un procédé par lequel la température à laquelle les lingots sont fondus peut être contrôlée dans d'étroites limites.
Ces objets et d'autres encore sont réalisés de la manière décrite ci-après.
Le réservoir ou réceptacle employé doit pouvoir contenir une assez grande quantité de métal tonnant un bain de fusion. On chauffe le réservoir; des moyens sont prévus pour agiter légèrement le bain ou y déterminer des courants de circulation contribuant à éliminer le laitier et les autres matières étrangères solides.
La forme et la grandeur du réservoir n'ont pas d'importance, ni la nature du combustible employé pour la chauffe. On peut chauffer au gaz ou au pétrole, mais il est préférable de chauffer le bain électriquement.
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Une légère agitation ou circulation dans le bain peut être produite par un mouvement giratoire du récipient, en mettant à profit les lois naturelles relatives à la circulation des liquides, si l'on opère à une température convenable.
La légère circulation nécessaire pour favoriser le flottement des corps solides étrangers à la surface du bain peut être obtenue en chauffant une partie séparée du bain, de façon que le métal fondu ainsi chauffé coule lentement dans la masse du bain,et soit remplacé par du métal relativement froid passant de la dite masse dans la partie séparée. En contrôlant convenablement la cha- leur à laquelle est portée la partie séparée, on peut établir une circulation modérée et une agitation suffisante du bain.
Un four électrique du type à induction convient admirablement pour la combinaison d'un four avec un agitateur.
Au lieu de chauffer d'une façon continue la partie séparée. du bain, on peut la chauffer par intermittence, et alors le bain est soumis à une agitation intermittente. Dans ces conditions, le laitier et les corps solides qui se trouvent en émulsion, viennent flotter à la surface du bain et se combinent avec le laitier super- ficiel.
Si le bain est maintenu fondu et à la température correspon- dante à l'état fluide, le laitier et les autres matières soli- des, si on leur en donne le temps, flottent à la surface sans agitation; toutefois, une agitation, constante ou intermittente, favorise d'ordinaire ce flottement.
Le réservoir doit naturellement être garni de préférence aved une matière réfractaire et être muni d'un trou de coulée situé de façon qu'une quantité déterminée de métal puisse être retirée cha- que fois.
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Le réservoir est, de préférence, combiné avec plusieurs fours dans lesquels est produit le fer raffiné et qui sont des fours sur sole ou des fours à arc électrique. Dans certaines cir- constances, dépendant du minerai dont on dispose, le fer raffiné peut être produit dans un convertisseur Bessemer.
Le fer raffiné coule de ces fours dans une cuiller ou poche dans laquelle on ajoute le silicium. Ce métal est ensuite transfé- ré au réservoir.
Pour l'application du procédé de l'invention, le réservoir, après avoir été chauffé à la température désirée, est empli de métal fondu. La quantité de silicium ajoutée est telle que le mé- tal contenu dans le réservoir approche de la composition désirée dans l'alliage fini ; Toutefois, il est préférable que la teneur en silicium soit un peu inférieure à celle qui est désirable dans le métal définitif.
Dans certains cas, il est bon de charger le réservoir avec du fer raffiné pur et d'ajouter le silicium dans ce réservoir au lieu de le mettre dans la cuiller. Si une analyse faite de temps en temps montre que la teneur en silicium dans le métal fondu contenu dans le réservoir est inférieure à la quantité désirée, on complète en ajoutant directement du silicium dans le réservoir. Toutefois, si on le désire, la charge suivante provenant du four de prépara- tion peut recevoir un supplément de silicium suffisant pour compen- sere manquant dans le réservoir.
Une fois que le réservoir a été rempli d'alliage fondu, le cycle des opérations consiste à faire des coulées, à intervalles plus ou moins réguliers, de quantités définies de métal du réser- voir, et à refaire le plein dans le réservoir avec de l'alliage fon- du en quantité égale à celle retirée.
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En maintenant la teneur en silicium du bain on peu au-dessous de la proportion qu'on désire avoir dans l'alliage fini, la teneur
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en silicium des làfflts peut raontr8lée dans des limites très étroites, car, quand une pleine cuiller d'alliage purifié est pri- se au réservoir, il suffit d'ajouter assez de silicium pour par- faire la proportion.
Le bain contenu dans le réservoir est maintenu à la tempéra- ture de fluidité, et comme le métal fondu qui est périodiquement chargé dans le réservoir est porté à une température relativement élevée par la réaction exothermique qui a lieu quand le silicium est ajouté au métal de la cuiller, un léger supplément de chauffe externe suffit pour maintenir la température de fluidité.
Quand on maintient le bain relativement grand à la tempéra- ture de fluidité et en en retirant de temps en temps des quantités relativement petites de métal qu'on remplace à mesure par des char- ses égales à ces quantités, le laitier et les autres corps soli- des tels que la silice, même sans agitation du bain, flottent à la surface et se combinent avec le laitier superficiel. Toutefois, une légère agitation favorise d'ordinaire ce flottement.
-A l'origine du cycle des opérations à faire suivant l'inven- tion, le bain est maintenu intact, c'est-à-dire qu'on ne fait pas couler de métal avant un temps suffisant pour assurer le retrait de tout le laitier et des autres corps solides. Les charges ajou- tées de temps en temps pour faire le plein sont relativement assez petites en comparaison delà masse totale du bain pour que la quantité de laitier et d'élément solides dans chaque charge de remplissage ne contamine que légèrement le bain. l'intervalle entre les retraits doit être suffisant pour donner le temps au laitier et aux autres corps solides de flotter à la surface et de se combiner avec le laitier superficiel.
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Sur la surface du bain on maintient un laitier spécialement préparé d'une composition telle que le laitier et les autres matiè- res étrangères solides se combinent avec lui. Cette composition peut varier, mais il est préférable d'employer un laitier de sili- cate de calcium dissous dans l'oxyde de calcium, attendu que ce laitier reste en équilibre avec le bain et enlève une forte propor- tion de soufre ,
Après que le réservoir a reçu une première charge complète d'alliage fondu et qu'un temps suffisant s'est écoulé pour que le métal ait atteint le degré de pureté désiré, c'est-à-dire soit arrivé à l'état dans lequel tout ou presque tout le laitier, avec les autres matières étrangères solides, y compris la silice, reste flottant à la surface du bain et se combine avec le laitier spécial superficiel, le réservoir est prêt pour la coulée.
Avant la coulée, il est nécessaire de s'assurer qu'au moins un des fours de préparation dans lesquels le fer raffiné est pro- duit, est prêt pour cette coulée.
A ce moment, on retire du réservoir une pleine cuiller de l'alliage purifié. Cet alliage est d'orlinaie mis en lingots puis laminé en barres et ensuite en plaques suivant des procédés réguliers.
On emplit ensuite une cuiller avec du métal prit à 1 ' un des fours, et, après y avoir ajouté la quantité voulue de silicium, on verse ce métal dans le réservoir.
Le silicium est, de préférence, ajouté sous la forme de ferro- silicium qu'on chauffe et qu'on met dans la poche avant d'y faire couler le métal fondu.
On ne retire plus de métal du réservoir avant qu'une autre charge chauffée soit prête pour être coulée d'un des fours de préparation.
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Des échantillons sont prélevés périodiquement dans le métal du réservoir et analysés pour déterminer la teneur des lingots en silicium;,
Si, quand on emplit une cuiller avec du métal pris au réser- voir, on trouve que l'alliage est trop pauvre en silicium, on complète la teneur en ajoutant du silicium dans la cuiller. Si, par exemple, on constate que dans el bain du réservoir il y a 3,5% de silicium et qu'on veuille atteindre la proportion de 3,75% dans le lingot, on ajoute dans la cuiller assez de silicium pour fournir le supplément de 0,25%. Si au contraire le silicium atteint la forte teneur de 4%; on la réduit en ajoutant une quantité suf- fisante de fer pur dans la cuiller; Ce fer pur ajouté peut être sous la forme solide ou à l'état de fusion.
Comme on l'a dit plus haut, il est le plus souvent désirable que la teneur en silicium dans le bain soit inférieure à la teneur dans le produit fini, car en ajoutant du silicium dans la cuiller en quantité suffisante pour compenser les légers manquants, on arrive à déterminer avec une extrême précision la teneur des lingots en silicium.
Par ce mode de contrôle de la teneur en silicium, on obtient un métal fini dans lequel cette teneur ne s'écarte pas de plus de 0,2à 0,3% de celle qui a été spécifiée.
Dans certains cas, il est désirable de maintenir un bain con- centré dans le réservoir, c'est-à-dire un bain qui contienne plus de silicium qu'on n'en veut avoir dans le produit fini; quand les opérations sont conduites de cette façon, on ajoute, dans la cuil- ler, du.fer fondu pur provenant d'un des fours de préparation, en quantité suffisante pour diluer l'alliage concentré dans la mesure nécessaire.
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Des tôles lamifiées dans un alliage produit par le procédé ex- posés ci-dessus sont d'une qualité supérieure et uniforme comme métal sain et comme teneur en silicium.
Pour la préparation de fer raffiné à utiliser dans le présent procédé, il convient que la proportion de carbone dans le produit fini soit aussi faible que possible.
Il est entendu que pour produire d'autres alliages que. du fer silicieux ou de l'acier silicieux, le procédé décrit peut être employé aussi avec avantage notamment quand l'état sain de l'allia- ge, c'est-à-dire l'absence de laitier et d'autres corps solides tels que la silice, est une condition importante.
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Process for making healthy ferro-silicon
The present invention relates to magnetic alloys, and more particularly to a process for producing a higher grade of ferro-silicon for use as a magnetic alloy.
The value of ferro-silicon for this use depends a lot on the more or less healthy state of the metal, its silicon content, its carbon content and the temperature at which the ingots are melted. By healthy state of the metal is meant a metal free of slag and other solid materials such as silica.
It is very important that the ingots are melted at a certain temperature, which, with current manufacturing processes, is difficult because of the exothermic reaction which occurs when silicon and iron combine in the spoon or the iron. foundry ladle to form silicides.
It is also important to keep only as small a variation as possible in the silicon content from the specified content. With current processes, the silicon content of an iron-silicon alloy containing more than 2% silicon varies considerably; sometimes this variation exceeds 0.5%. The process
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considered here consists in adding the total quantity of silicon desired, either in the spoon or in the oven; when the heat is at the desired degree for the casting; ordinary errors in weight, metal loss and overoxidation of the bath all contribute to variations.
The exact degree of variation is seldom indicated by analysis because, in ordinary methods of analysis, the silica existing in the steel is determined and represented as silicon; for this reason, it is important to remove as much silica as possible before the metal is poured, into ingots.
One of the objects of the invention is to provide an industrial means of producing magnetic alloys such as silica iron, or so-called silica steel, which are free of slag and other solids, such as silica. The object of the invention is to provide a process for producing these alloys, whereby the silicon content can be controlled with a great approximation, i.e. to the nearest 0.1% or 0.2%, and to to provide a process whereby the temperature at which the ingots are melted can be controlled within narrow limits.
These and other objects are achieved in the manner described below.
The reservoir or receptacle used must be able to contain a large enough quantity of metal thundering a molten bath. The tank is heated; means are provided for slightly agitating the bath or determining circulation currents therein which help to remove slag and other solid foreign matter.
The shape and size of the tank does not matter, nor the nature of the fuel used for heating. You can heat with gas or oil, but it is better to heat the bath electrically.
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A slight agitation or circulation in the bath can be produced by a gyratory movement of the container, taking advantage of the natural laws relating to the circulation of liquids, if one operates at a suitable temperature.
The slight circulation necessary to promote the floating of solid foreign bodies on the surface of the bath can be obtained by heating a separate part of the bath, so that the molten metal thus heated slowly sinks into the mass of the bath, and is replaced by metal. relatively cold passing from said mass in the separated part. By properly controlling the heat to which the separated part is brought, a moderate circulation and sufficient agitation of the bath can be established.
An induction type electric furnace is admirably suited for the combination of a furnace with a stirrer.
Instead of continuously heating the separated part. of the bath, it can be heated intermittently, and then the bath is subjected to intermittent agitation. Under these conditions, the slag and the solid bodies which are in emulsion float on the surface of the bath and combine with the surface slag.
If the bath is kept molten and at the corresponding temperature in the fluid state, the slag and other solids, if given time, will float to the surface without agitation; however, agitation, constant or intermittent, usually promotes this flutter.
The reservoir should of course preferably be lined with refractory material and be provided with a tap hole located so that a determined quantity of metal can be removed each time.
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The tank is preferably combined with several furnaces in which the refined iron is produced and which are deck furnaces or electric arc furnaces. Under certain circumstances, depending on the ore available, the refined iron can be produced in a Bessemer converter.
The refined iron flows from these ovens into a spoon or ladle in which the silicon is added. This metal is then transferred to the reservoir.
For the application of the process of the invention, the tank, after having been heated to the desired temperature, is filled with molten metal. The amount of silicon added is such that the metal contained in the reservoir approaches the desired composition in the finished alloy; However, it is preferable that the silicon content is a little less than that which is desirable in the final metal.
In some cases it is good to load the tank with pure refined iron and add the silicon to this tank instead of putting it in the spoon. If an analysis made from time to time shows that the silicon content in the molten metal contained in the tank is less than the desired amount, it is supplemented by adding silicon directly to the tank. However, if desired, the next charge from the preparation furnace can be given more silicon sufficient to make up for missing in the tank.
Once the tank has been filled with molten alloy, the cycle of operations consists of pouring, at more or less regular intervals, defined quantities of metal from the tank, and refilling the tank with the alloy melts in an amount equal to that withdrawn.
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By maintaining the silicon content of the bath we little below the proportion that we want to have in the finished alloy, the content
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Silicon particles can be controlled within very narrow limits, because, when a full spoonful of purified alloy is taken from the reservoir, it suffices to add enough silicon to match the proportion.
The bath contained in the tank is maintained at the temperature of fluidity, and as the molten metal which is periodically charged into the tank is brought to a relatively high temperature by the exothermic reaction which takes place when silicon is added to the metal. the spoon, a slight additional external heating is sufficient to maintain the fluid temperature.
When the bath is kept relatively large at the temperature of fluidity, and by removing from it from time to time relatively small quantities of metal which is replaced as it goes by chars equal to these quantities, the slag and the other bodies solids such as silica, even without bath agitation, float to the surface and combine with the surface slag. However, light agitation usually promotes this flutter.
At the origin of the cycle of operations to be carried out according to the invention, the bath is kept intact, that is to say that no metal is poured before sufficient time to ensure the removal of all slag and other solid bodies. The loads added from time to time for refueling are relatively small enough in comparison to the total mass of the bath that the amount of slag and solids in each load of fill will only slightly contaminate the bath. the interval between withdrawals should be sufficient to allow time for the slag and other solids to float to the surface and combine with the surface slag.
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On the surface of the bath a specially prepared slag of a composition such that slag and other solid foreign matter combines with it is maintained. This composition can vary, but it is preferable to use a calcium silicate slag dissolved in calcium oxide, since this slag remains in equilibrium with the bath and removes a high proportion of sulfur,
After the tank has received a first full charge of molten alloy and sufficient time has elapsed for the metal to reach the desired degree of purity, that is, to arrive in the state in where all or almost all of the slag, along with other solid foreign matter, including silica, remains floating on the surface of the bath and combines with the special surface slag, the tank is ready for casting.
Before casting, it is necessary to ensure that at least one of the preparation furnaces in which the refined iron is produced, is ready for this casting.
At this point, a full spoonful of the purified alloy is removed from the reservoir. This alloy is from orline put into ingots then rolled into bars and then into plates following regular processes.
A spoon is then filled with metal taken from one of the ovens, and after adding the desired amount of silicon, this metal is poured into the reservoir.
The silicon is preferably added in the form of ferro-silicon which is heated and placed in the ladle before the molten metal is poured therein.
No more metal is removed from the tank until another heated load is ready to be poured from one of the preparation furnaces.
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Samples are taken periodically from the metal in the tank and analyzed to determine the content of the silicon ingots ;,
If, when filling a spoon with metal taken from the reservoir, the alloy is found to be too low in silicon, the content is supplemented by adding silicon to the spoon. If, for example, it is found that in the tank bath there is 3.5% silicon and that we want to reach the proportion of 3.75% in the ingot, we add in the spoon enough silicon to provide the supplement of 0.25%. If, on the contrary, the silicon reaches the high content of 4%; it is reduced by adding a sufficient quantity of pure iron to the spoon; This added pure iron can be in the solid form or in the molten state.
As stated above, it is most often desirable that the silicon content in the bath is lower than the content in the finished product, because by adding silicon in the spoon in sufficient quantity to compensate for the slight missing, the silicon ingots content can be determined with extreme precision.
By this method of controlling the silicon content, a finished metal is obtained in which this content does not deviate by more than 0.2-0.3% from that which has been specified.
In some cases, it is desirable to maintain a concentrated bath in the reservoir, i.e., a bath which contains more silicon than is desired in the finished product; when the operations are carried out in this way, pure molten iron from one of the preparation furnaces is added to the spoon in an amount sufficient to dilute the concentrated alloy to the extent necessary.
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Alloy laminated sheets produced by the process set forth above are of superior and uniform quality as a sound metal and as a silicon content.
For the preparation of refined iron to be used in the present process, the proportion of carbon in the finished product should be as low as possible.
It is understood that to produce other alloys than. siliceous iron or silicon steel, the process described can also be employed with advantage, in particular when the healthy state of the alloy, that is to say the absence of slag and other solid bodies such as silica, is an important condition.