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B R E V E T D' INVENTION monsieur Emil, Gustaf, Torvald GUSTAFSSON - Danderydsgatan 22 à Stockholm (Suède) "PROCEDE DE PRODUCTION DE METAUX DANS DES FOURS ELECTRIQUES" Faisant l'objet d'une demande de brevet EN Suède en date du 27 septembre 1926.
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La présente invention a trait à des procédés pour la production de métaux, par exemple du fer, de l'acier et des alliages de fer, consistant à fondre dans un four électrique, de manière à donner du métal et un laitier, une charge métal- lique qui peut avoir été préalablement réduite ou qui peut être simultanément réduite} ce four comporte une ou plusieurs électrodes capables d'être montées ou abaissées, disposées au-dessus du bain contenu dans le four et dirigées vers le bas. L'invention concerne particulièrement des procédés dans lesquels la charge est produite et ou fondue au soumet d'un bain de laitier contenu dans le for,c'est à dire pendant qu'elle flotte ou repose sous forme de couche relativement mince sur ce bain de laitier.
Au début du chauffage on peut préparer dans le four un bain de laitier de ce genre avant d'introduire la charge, ce bain de laitier augmentant ensui- te d'épaisseur pendant la durée du chauffage en raison du laitier formé dans la réduction et ou la fusion de la charge.
L'invention peut être appliquée aux procédés de ce
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genre dans de grands fours électriques, de 250 kilowatts par exemple par électrode ou même davantage, à l'exclusion des petits fours d'expériences.
Lorsqu'on chauffe des charges contenant par exemple du minerai de fer et du charbon de bois ou de terre en quantité proportionnée à la teneur de carbone déâirée pour l'acier, ainsi que de la chaux en quantité proportionnée de façon à obtenir un laitier approprié, ces charges ayant la forme de briquettes ou de matières premières finement divisées ou d'un rélange plus ou moins intime de matières de ce genre à l'état de grains plus ou moins fins, on a reconnu que le voltage uti- lisé dans les fours entre une électrode et le bain de tétai (ou le fond du four au début du chauffage) doit être dans un cer- tain rapport avec la puissance appliquée au four;
autre¯:en dit le fcur doit fonctionner avec l'électrode dans une posi- tion telle que la résistance entre l'électrode et le bain de tétai atteigne une certaine valeur afin d'utiliser aussi bien que possible la puissance éle@trique appliquée, ainsi que le four proprement dit, et de'réaliser un fonctionnement parfait dû. procédé de production du métal dans non ensemble et une dé- pense d'électrodes plus faible.
Dans les fours électriques pour la production de l'acier, par exemple les fours Héroult, et dans les fours électriques à gueuses, du type Elektrometall par exemple, cette résistance a toujours été maintenue à une valeur qui n'est pas suffisante pour réaliser avec succès le procède de réduction dont il est question ici, ou, en d'au- tres termes, le voltage était trop faible par report à la puissance utilisée. Dans les fours à acier, le voltage en tre deux électrodes est généralement de 110 à 120 volts lorsqu'on utilise du courant alternatif triphasé et trois Electrodes.
La puissance nécessaire pour un four d'une capacité donnée est réglée par l'intensité du courant utilisé, lorsqu'ou se sect d'électrodes montées en triangle, suivant lafornule usuelle:
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N = #3. e. i. cos dans laquelle N = la puissance en watts, e = le voltage en volts, i = l'intensité du courant en ampères, et cos = le facteur de puissance.
Par exemple, dans un four de 5000 kw, l'intensité i du cou- rant est d'environ 17.500 ampères si on suppose que cos# est égal à 0,90 et e = 110 volts. Pour un four Héroult des dimensions indiquées ci-dessus, le voltage entre une élac- trode. et le bain de métal est 110 63,5 volts. En consé- quence la résistance ohmique entre une électrode et le bain de métal est de 63,5 = 0,0036 ohms, résistance qui est donc 17500 suffisante dans un four ordinaire à acier.
On utilise générale- ment aussi une résistance d'une valeur aussi faible nu même .-les résistances encore plus faibles dans les fours électriques à gueuses du type Elektrometall, dans lesquels les voltages nor- malement utilisés entre une électrode et le bain de fer sont de 30 à 40 volts, les intensités du courant étant de 12000 à 16000 ampères, ce qui correspond à une résistance ohmique d'environ 0,0025 ohm par électrode.
La présente invention a pour but de réaliser une méthode nouvelle et utile pour faire fonctionner de grands four électriques du type en question en y appliquant des procédés du type indiqué, de façon à obtenir une utilisation plus' effi- cace de la puissance électrique fournie, aussi bien que du four proprement dit, un fonctionnement plus par-fait du procédé de production du métal dans son ensemble et une dépense d'élec- trodes plus faible .
Pour obtenir ce résultat, suivant la présente invention, on fait-,marcher le four, pendant la majeure partie d'une période de chauffage ou de fusion, de façon que le voltage en- tre l'électrode ou chacune des électrodes et le bain de métal corresponde à une résistance combinée arc et laitier,c'est à dire une résistance ohmique d'au moins 0,020 ohm par électrode.
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Sous ce rapport, l'expression "résistance ohmique" est employée pour désigner le rapport entre le voltage et l'ampérage,et les expressions "chauffage" et "fusion" servent à désigner les intervalles entre deux coulées.
-orsqu'on fait marcher le four avec une résistance inférieure à 0,020 ohm par électrode, il a été prouvéque le procédé peut être mis en pratique, bien qu'avec quelque diffi- culté, Fais que comparativement au fonctionnement avec des ré- sistances plus élevées la- dépense de courant et la dépense d'é- lectrodes est beaucoup plus grande, que la réduction est plus lente et que la température régnant au fond du four a une tendance à devenir trop élevée, cette dernière circonstance apant une influence nuisible sur la durée du four.
Plus la résistance est élevée, meilleures sont la réduction et la fusion de la charge dans le bain de laitier. C'est ainsi qu'on a fendu des charges avec de très bons résultats avec des résis- tances chmiques allant jusqu'à 0,06 ohm par électrode et à toutes les phases intermédiaires, p?r exemple 0,025, 0,030,
0,035, 0,040, 0,045, 0,050 ohm, etc. par électrode.
En rédui- sant et en fondant dans un four électrique de ?000 kw par des briquettes ou autres corps contenant un mélange de minerai à base d'oxyde finement divisé et d'un agent ré- ducteur finement divisé, on a constaté qu'on obtenait les meilleurs résultats en marchant avec une résistance ohmique de 0,035 à 0,045 ohm entre chacune des trois électrodes et le bain de métal.
Dans des fours plus grands, par exemple de 5000 kw et davantage, il est difficile toutefois, pour des raisons d'ordre pratique, de maintenir la résistance à ses valeurs les plus élevées, par exemple au-dessus de 0,040 ohm, parce que les voltages entre les électrodes, c'est à dire les voltages qui en résultent, atteignent des valeurs tellement élevées que cela cause des difficultés en ce qui concerne l'i- soleent des électrodes et un danger pour les ouvriers, à moins que le courant fourni ne soit subdivisé en un grand nombre de
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petites électrodes, ce qui n'est cependant pas pratiqueà dif- férents points de vue, par exemple à cause de l'affaiblisse- ment du toit du four et parce qu'il faut un nombre de points de refroidissement et de dispositifs d'arrivée du courantpro- proportionnelement plus grand.
En conséquence, dans des fours d'aussi grandes dimensions, il pourra être nécessaire de se contenter d'une résistance ohmique par électrode plus basse, par exemple de 0,025 à 0,030 ohm, bien que des résistances plus élevées soient toutefois plus désirables. C'est particu- lièrement dans la réduction et ou la fusion de charges qui ne sont pas constituées par des briquettes ou d'autres-corps constitués par un mélange de matières premières réduites en grains fins, mais qui se composent d'un mélange plus ou moins meuble de ces matières réduites à l'étatde grains plus ou moins fins, qu'il a été reconnu nécessaire de faire marcher le four avec des résistances élevées.
Pour des charges de ce genre, il faut utiliser une résistance qui ne soit pas infé- rieure à 0,025 ohm par électrode, des résistances plus élevées étant toutefois préférables.
On a reconnu également qu'on peut faire varier la résistance ohmique entre l'électrode ou chacune des électrodes et le bain de métal suivant la nature du métal à produire. Par exemple, si l'on produit des alliages de fer en partant d'une charge de minerai de fer et d'une charge contenant un minerai à base d'oxyde du métal de l'alliage, ces différentes charges étant réduites et fondues l'une après l'autre, la résistance utilisée pour réduire et fondre la charge de minerai de fer peut différer de celle qui est utilisée pour réduire la charge contenant le métal de l'alliage et on peut dire en général que la résistance doit être d'autant plus basse que le métal ou l'alliage méta.llique à produire est plus difficile à réduire et ou à fondre.
La raison pour laquelle, dans les procédés en question, la résistance ohmique doit être beaucoup plus élevée que
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dans les fours électriques usuels à acier ou à gueuses,réside dans la façon particulière de réaliser la réduction et ou la fusion de la charge flottant ou reposant sur le bain de laitier dans le four, la chaleur étant répartie le mieux possible à la surface du bain de laitier à l'endroit où se produit la plus forte consommation de chaleur; on obtient ce résultat en pro- duisant des arcs suffisamment longs entre les électrodes et le bain de laitier.
Comme il existe toujours dans le bain de laitier une distance relativement élevée qui augmente avec l'é- paisseur de ce bain, il faut appliquer une résistance plutôt élevée entre l'électrode et le bain de métal, autrement dit il faut que le voltage soit élevé par rapport à la puissance four- nie, car autrement, en maintenant automatiquement l'intensité du courant, c'est à dire l'ampérage, à une valeur constante au doyen d'un régulateur automatique réglant aussi la portion de l'électrode par rapport au bain de métal, l'électrode s'enfonce rait dans le laitier, de sorte qu'il ne se formerait aucun arc. La courbe de distribution de la température d'un arc contre clairement que l'arc dot avoir une longueur plutôt considérable pour qu'on obtienne une bonne distribution de la chaleur au-dessus du bain.
La longueur de l'arc et la couche de laitier relativement épaisse nécessitent une résistance éle- vée ou, plus exactement, un rapport élevé entre le voltage et l'ampérage.Le fonctionnement au moyen d'un arc pendant la réduc tion et ou la fusion présente aussi cet avantage supplémentaire que l'arc ne vient pas en contact avec la charge, ce qui est très important, surtout lorsqu'il s'agit de produire des métaux ou alliages de métaux fixant le carbone et pauvres en carbone.
Dans un procédé de ce genre, la résistance du laitier a pour but important de développer la chaleur nécessaire pour maintenir le laitier et le métal qui se trouve au-dessous à la température nécessaire. Quand aux procédés dans lesquels la charge est réduite et ou fondue en reposant à la surface du laitier, surface qui peut former une couche quelque peu tenace
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à l'endroit o la charge repose, il n'est pas possible de les mettre en pratique en faisant arriver le courant électrique sans une résistance de ce genre dans le laitier, en produisant par exemple simplement un arc entre deux électrodes au-dessus du bain, la consommation de chaleur à la surface du-laitier em- pêchant d'obtenir une chaleur assez élevée au fond du four,
du fait que la température au-dessus du bain doitêtre maintenue au-dessous de la température critique pour la durée du revête- ment. Lorsque le courant électrique traverse le laitier, il se développe une quantité de chaleur considérable dans ce der¯ nier à cause de sa résistance, de sorte que le laitier est assez chaud pour chauffer le métal jusqu'au degré nécessaire et aussi pour céder de la chaleur à la charge flottant ou re- posant à la surface du laitier. Plus le métal à produire est difficile à fondre, plus il faut naturellement que le métal qui se trouve au fond du four soit chaud, pour qu'il ne se solidifie pas.
Lorsqu'on produit des alliages contenant une forte pro- portion du métal de l'alliage, par exemple du ferre-chrome à faible teneur en carbone,ou ce qu'on appelle du fer ne rouil- lant pas, contenant de 13 à 15 de chrome, il faut donc qu'une assez grande partie de la résistance par électrode soit repor- tée dans le laitier. Toutefois, pendant la majeure partie du chauffage, la résistance totale dans le laitier et dans l'arc doit s'élever au moins à 0,020 ohm par électrode ou de préfé- rence à une valeur encore plus élevée.
Si, pendant la fusion, la température du métal présente une tendance à devenir trop basse,de sorte que le métal risque de se solidifier ou que la conversion entre le métal et le laitier risque de ne pas être aussi bonne qu'il le faut, par exemple pour désulfurer le métal, on peut immerger de préférence l'électrode ou les électrodes dans le métal pen- dant des périodes plus ou moins longues, c'est à dire qu'on peut réduire la résistance par électrode et fournir ainsi une grande quantité de chaleur à la partie inférieure du bain de
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laitier.
La chaleur peut être fournie à différentes couches du bain de laitier et on peut régler la température dans dif- férentes parties du four en faisant varier les positions des électrodes par rapport au bain de laitier, de faon à faire varier la résistance combinée arc et laitier par électrode.
Ordinairement on fait fonctionner le four de façon à mainte- nir constante la puissance électrique fournie, c'est à dire que, pour un voltage donné/on maintient l'ampérage â une va- leur constante correspondante, au moyen de régulateurs automa- tiques que l'on peut régler pour différentes valeurs de l'ampé. rage, en faisant varier simultanément les positions des élec- trodes par rapport au bain de métal.
Pour une haute résistan- ce combinée, c'est à dire un arc relativement long, la cha- leur est fournie principalement à la surface du bain de lai- tier; pour une résistance moyenne, c'est à dire un arc cuurt ou un commencement de contact entre l'électrode et le bain de lalitier, la plus grande quantité de chaleur est fournie à la partie supérieure du bain de laitier, et pour une petite résistance, c'est à dire lorsque l'électrode plonge dans le laitier, la plus grande quantité de chaleur est fournie à la partie inférieure du bain de laitier.
Comme dans les procédés e ce genre,mentionnés ici 'au début, procédés dans lesquels une charge métallique est in- troduite dans le four sur un bain de laitier, soit de façon continue, soità intervalles relativement courts, le bain de laitier augmente successivement d'épaisseur pendant le chauffa- ge ou la fusion, et par suite la chute de voltage et la résis- tance du laitier augmentant également, si la résistance combi- née arc et laitier était maintenue constante,la chute ':le volta- ge dans l'arc et par suite la résistance de l'arc diminue- raient. Pour l'éviter, il convient de faire une coulée une ou plusieurs fois pendant la fusion ou de retirer de toute autre façon une partie appropriée du laitier hors du four.
Sous ce rapport une coulée continue du laitier est très appropriée, de
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façon à maintenir le laitier en permanence à une épaisseur constante; toutefois cela est plutôt difficile à réaliser.
Cependant, surtout lorsqu'on utilise des foursbasculants, il est relativement facile de faire couler du laitier un nombre de fois approprié pendant la fusion sans qu'aucune interruption du procédé soit nécessaire. En tout cas on règle de préférence l'épaisseur de la. couche de laitier (le façon que seule la, résistance du laitier produise la chaleur nécessaire pour maintenir le bain de métal et le laitier à la haute température nécessaire, le reste de la chaleur étant développé à l'endroit où la dépense de chaleur est la plus forte, c' est à dire à la surface du bain de laitier.
Toutefois, au lieu de couler du laitier, on peut compen- ser l'augmentation de la résistance et, par suite, de la chute de voltage dans le bain de laitier pendant la fusion, en aug- mentant le voltage entre l'électrode et le bain de métal en une ou plusieurs foie, de façon qu'on puisse maintenir la même chute de voltage ou la. môme résistance dans l'arc, et
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f''1'' (1!'l1n/q\10t1 1a tI:t11c' J(H\gU(111r' \1' "1O, 1.a 1'\11.11(11111('1" (1 no 1.1'1- que fournie au four augmentait ainsi si l'intensité du courant ne change pas. On peut procéder à ce réglage du voltage en changeant par exemple les connexions du transformateur ou en modifiant le rapport entre le nombre de spires, les trans- formateurs étant munis à cet effet d'un nombre approprié de prises.
Si la puissance électrique doit être maintenue con- stante, ce qui estgénéralement le cas, l'ampérage fourni au four diminue proportionnellement à l'augmentation de vol- tage; pour cela on relève l'électrode au-dessus du bain de métal proportionnellement à l'augmentation de la chute de voltage aussi bien qu'à l'ampérage désiré, ce résultat étant obtenu de préférence au moyen de régulateurs automatiques.
En conséquence, on règle de préférence la puissance fournie en changeant le voltage et la position de l'électrode par rapport au bain de métal de façon que la résistance combi-
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née arc et laitier entre chacune des électrodes et le bain de métal augmente à peu près proportionnellement à la mesure dans laquelle la résistance du laitier augmente, autrement dit de façon à maintenir la résistance de l'arc constante/pendant toute la fusion.
Les inconvénients de l'augmentation de résistance par suite de l'augmentation d'épaisseur du bain de laitier pen- dant le chauffage ou la fusion seront naturellement moins grands si le laitier a une grande conductibilité électrique spécifique. En conséquence .on pourra éliminer ces inconvé- nients en partie en réglant convenablement la composition du laitier, par exemple en rendant le laitier fortement basique ou en lui donnant une proportion relativement élevée d'oxydes métalliques, cette dernière mesure étant particulièrement appropriée lorsqu'il s'agit de produire des métaux d'une très faible teneur en carbone, par exemple du fer ou des alliages du fer ayant une teneur en carbone égale ou inférieure à
0,05%
Dans la construction de fours pour la mise en pratique du/procédé suivant la présente invention,
on peut calculer le four ainsi que ses transformateurs et ses conducteurs, soit pour des voltages de régime élevés, par exemple de 110 à 220 volts entre une électrode ou chacune des électrodes et le bain de métal, ou pour des voltages de moins de 110 volts.
On peut toutefois utiliser des voltages supérieurs sans sortir du cadre de l'invention. Dans le premier cas, lorsqu'on uti- lise du courant alternatif triphasé et trois électrodes, le voltage résultant entre deux électrodes sera de 190-380 volts, de pareils voltages n'ayant pas encore été utilisés jusqu'ici dans des fours électriques à électrodes d'un type industriel.
Le nombre d'électrodes sera relativement petit, surtout pour le voltage le plus élevé, même si la résistance par électrode est maintenue par exemple à 0,03 jusqu'à 0,04 ohm. Dans le deuxième cas, c'est à dire lorsque le voltage est inférieur à
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110 volts, il faut augmenter le nombre d'électrodes de façon à obtenir une puissance plus faible par électrode afin que le rapport entre le voltage utilisé et la puissance par élec- trode correspondante à la grande résistance désirée.
La première variante à l'avantage qu'on obtient de plus petites pertes d'énergie dans les transformateurs, les conducteurs, etc., un facteur de puissance plus élevé et un équipement moins couteaux pour le four électrique, tandis que la deuxiè- me variante a l'avantage d'une meilleure distribution de la chaleur au-dessus de toute la surface du bain-dans le fouro
On pourrait objecter , relativement au mode de réglage décrit plus haut pour le réglage du courant suivant une ré- sistance ohmique donnée entre une électrode et le bain de mé- tal ou le bain de laitier respectivement, que la division de la résistance en laitier et en arc dépend de la section de l'électrode,
le courant fourni étant réparti sur une surface du bain de laitier d'autant plus grande et la résistance du laitier étant d'autant plus petite que la section de l'élec - trode est plus grande. Cela peut être vrai lorsque l'électro- de est immergée dans le laitier ou en contact avec celui-ci, mais des qu'un arc se forme entre l'électrode et le Initier cet are s'établit par exemple entre une partie du bord infé- rieur de l'électrode et le bain et se déplace généralement le long de la circonférence de l'électrode. C'est pour cette raison que, lorsqu'on marche avec un arc, la distribution du , courant dans le laitier est pratiquement indépendante du dia- mètre de l'électrode, ce dont il faut tenir compte lorsqu'il s'agit de fours industriels.
Une autre raison pour laquelle on h'apas besoin de tenir compte du diamètre de l'électrode, c'est que,pendant la marche, la section de la partie inférieure de l'électrode diminuera toujours et variera à différents moments. Lorsqu'on utilise une électrode de grande section, la résistance par électrode peut toutefois être un peu plus petite.que lorsqu'on utilise une électrode de petite section, mais il est bien entendu que la résistance doit toujours toujours @
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maintenue au-dessus de la limite inférieure de 0,020 ohm.
En plus de la production du fer et d'alliages de fer citée plus haut à titre d'exemple, production pour laquelle une charge d'oxyde de fer et au besoin d'on oxyde d'un métal d'alliage est traitée avec un agent réducteur qui peut être
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un agent réducteur thermique tel que du ferro-siliciuai, du ferro-luminium-silicium, de l'aluminium, etc, ou qui peut être constitué par du carbone de nature quelconque ou par un mélange de carbone avec un agent réducteur thermique, le pro- cédé qui fait l'objet de l'invention peut être utilisé conve- nablement pour la production d'autres métaux à partir de leurs oxydes métalliques,par exemple de l'aluminium ou d'alliages à base d'aluminium à partir de l'argile ou de la bauxite,
ou à partir de leurs minerais sulfureux.en utilisant par exemple du calcium ou du fer pour fixer le soufre, ou pour produire du zinc par exemple à partir de minerais complexes contenant du zinc et du plomb. En conséquence/l'invention n'est pas limitée aux matières mentionnées cidessus à titre d'exemple, mais elle peut être appliquée à la production de tous métaux en partant de leurs minerais ou d'autres matières métalli- fères.
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B R E V E T OF INVENTION Mr. Emil, Gustaf, Torvald GUSTAFSSON - Danderydsgatan 22 in Stockholm (Sweden) "PROCESS FOR THE PRODUCTION OF METALS IN ELECTRIC OVENS" Form the subject of a patent application IN Sweden dated September 27, 1926.
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The present invention relates to methods for the production of metals, for example iron, steel and iron alloys, comprising melting in an electric furnace, so as to give metal and a slag, a metal charge. - lic which may have been previously reduced or which may be simultaneously reduced} this oven comprises one or more electrodes capable of being raised or lowered, arranged above the bath contained in the oven and directed downwards. The invention particularly relates to methods in which the charge is produced and / or melted under a bath of slag contained in the drill, that is to say while it is floating or lying as a relatively thin layer on this bath. slag.
At the start of the heating, a slag bath of this kind can be prepared in the furnace before introducing the load, this slag bath then increasing in thickness during the heating period due to the slag formed in the reduction and / or melting the load.
The invention can be applied to the methods of this
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kind in large electric furnaces, of 250 kilowatts for example per electrode or even more, excluding small experimental furnaces.
When heating loads containing, for example, iron ore and charcoal or earth in an amount proportional to the carbon content desired for the steel, as well as lime in a proportionate amount so as to obtain a suitable slag , these charges having the form of briquettes or finely divided raw materials or of a more or less intimate mixture of materials of this kind in the state of more or less fine grains, it has been recognized that the voltage used in the furnaces between an electrode and the tetai bath (or the bottom of the furnace at the start of heating) must be in a certain relation to the power applied to the furnace;
other: in said the fcur must work with the electrode in a position such that the resistance between the electrode and the tetai bath reaches a certain value in order to use as well as possible the electric power applied, as well as the oven itself, and to achieve a perfect operation due. process for producing the metal as a whole and a lower electrode expense.
In electric furnaces for the production of steel, for example the Héroult furnaces, and in electric pig furnaces, of the Elektrometall type for example, this resistance has always been maintained at a value which is not sufficient to achieve with the reduction process in question here was successful, or in other words, the voltage was too low compared to the power used. In steel furnaces, the voltage between two electrodes is generally 110 to 120 volts when three-phase alternating current and three electrodes are used.
The power required for a furnace of a given capacity is regulated by the intensity of the current used, when or is sect of electrodes mounted in delta, according to the usual formula:
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N = # 3. e. i. cos where N = power in watts, e = voltage in volts, i = amperage in amperes, and cos = power factor.
For example, in a 5000 kw furnace, the current intensity i is about 17,500 amperes if we assume that cos # is equal to 0.90 and e = 110 volts. For a Héroult furnace of the dimensions indicated above, the voltage between an electrode. and the metal bath is 110 63.5 volts. Therefore the ohmic resistance between an electrode and the metal bath is 63.5 = 0.0036 ohms, which resistance is therefore 17500 sufficient in an ordinary steel furnace.
Usually a resistance of such a low value is also used even. - The even lower resistances in electric pig furnaces of the Elektrometall type, in which the voltages normally used between an electrode and the iron bath are from 30 to 40 volts, the intensities of the current being from 12000 to 16000 amperes, which corresponds to an ohmic resistance of approximately 0.0025 ohm per electrode.
The object of the present invention is to realize a new and useful method of operating large electric furnaces of the type in question by applying methods of the type indicated therein, so as to obtain a more efficient use of the electric power supplied. as well as the furnace itself, smoother operation of the metal production process as a whole and lower electrode expense.
To obtain this result, according to the present invention, the furnace is operated, during the major part of a period of heating or melting, so that the voltage between the electrode or each of the electrodes and the bath of metal corresponds to a combined arc and slag resistance, that is to say an ohmic resistance of at least 0.020 ohm per electrode.
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In this connection, the term "ohmic resistance" is used to denote the ratio between voltage and amperage, and the terms "heating" and "melting" are used to denote the intervals between two castings.
-When the furnace is operated with a resistance of less than 0.020 ohm per electrode, it has been proved that the process can be put into practice, although with some difficulty, compared to the operation with more resistors. The consumption of current and the expenditure of electrodes is much greater, the reduction is slower and the temperature prevailing at the bottom of the furnace has a tendency to become too high, the latter circumstance having a harmful influence on the duration of the oven.
The higher the strength, the better the reduction and melting of the charge in the slag bath. Thus, charges have been split with very good results with chemical resistances of up to 0.06 ohm per electrode and at all intermediate phases, eg 0.025, 0.030,
0.035, 0.040, 0.045, 0.050 ohm, etc. by electrode.
By reducing and melting in an electric furnace of? 000 kw by briquettes or other bodies containing a mixture of finely divided oxide-based ore and a finely divided reducing agent, it was found that obtained the best results by walking with an ohmic resistance of 0.035 to 0.045 ohm between each of the three electrodes and the metal bath.
In larger furnaces, for example of 5000 kw and more, it is difficult, however, for practical reasons, to maintain the resistance at its highest values, for example above 0.040 ohm, because the voltages between the electrodes, i.e. the resulting voltages, reach such high values that it causes difficulties with regard to the insulation of the electrodes and a danger for the workers, unless the current supplied is subdivided into a large number of
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small electrodes, which however is not practical from various points of view, for example because of the weakening of the roof of the furnace and because a number of cooling points and supply devices are required proproportionately larger current.
Accordingly, in furnaces of such large dimensions it may be necessary to settle for a lower ohmic resistance per electrode, for example 0.025 to 0.030 ohm, although higher resistances are more desirable. It is particularly in the reduction and or melting of charges which are not constituted by briquettes or other bodies constituted by a mixture of raw materials reduced to fine grains, but which consist of a mixture more or less loose of these materials reduced to the state of more or less fine grains, it has been recognized necessary to operate the furnace with high resistances.
For such loads a resistance should be used which is not less than 0.025 ohm per electrode, higher resistances however being preferred.
It has also been recognized that the ohmic resistance between the electrode or each of the electrodes and the metal bath can be varied depending on the nature of the metal to be produced. For example, if iron alloys are produced starting from a charge of iron ore and a charge containing an oxide-based ore of the metal of the alloy, these various charges being reduced and melted l One after another, the resistance used to reduce and melt the iron ore charge may differ from that which is used to reduce the charge containing the metal of the alloy and in general it can be said that the resistance should be d As much lower than the metal or the metal alloy to be produced is more difficult to reduce and / or to melt.
The reason why, in the processes in question, the ohmic resistance must be much higher than
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in conventional electric steel or pig ovens, lies in the particular way of carrying out the reduction and / or melting of the charge floating or resting on the slag bath in the furnace, the heat being distributed as best as possible on the surface of the slag bath in the place where the greatest heat consumption occurs; this is achieved by producing sufficiently long arcs between the electrodes and the slag bath.
As there is always a relatively large distance in the slag bath which increases with the thickness of this bath, a rather high resistance must be applied between the electrode and the metal bath, in other words the voltage must be high in relation to the power supplied, because otherwise, by automatically maintaining the intensity of the current, that is to say the amperage, at a constant value at the dean of an automatic regulator also regulating the portion of the electrode compared to the metal bath, the electrode would sink into the slag, so that no arcing would form. The temperature distribution curve of an arc against clearly that the arc has to have a rather considerable length to obtain a good distribution of the heat above the bath.
The length of the arc and the relatively thick slag layer require a high resistance or, more accurately, a high ratio of voltage to amperage. Arc operation during reduction and / or Fusion also has this additional advantage that the arc does not come into contact with the charge, which is very important, especially when it comes to producing metals or metal alloys which fix carbon and are low in carbon.
In such a process, the resistance of the slag has the important purpose of developing the heat necessary to maintain the slag and the metal below at the necessary temperature. For processes in which the load is reduced and / or melted by resting on the surface of the slag, which surface can form a somewhat stubborn layer
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at the place where the charge lies, it is not possible to put them into practice by making the electric current flow without a resistance of this kind in the slag, for example by simply producing an arc between two electrodes above the bath, the heat consumption at the surface of the slag preventing a fairly high heat from being obtained at the bottom of the oven,
that the temperature above the bath must be maintained below the critical temperature for the duration of the coating. When the electric current passes through the slag, a considerable amount of heat develops in it because of its resistance, so that the slag is hot enough to heat the metal to the degree necessary and also to give up heat. heat to the load floating or resting on the surface of the slag. The more difficult the metal to be produced is to melt, the more naturally it is necessary for the metal which is at the bottom of the furnace to be hot, so that it does not solidify.
When producing alloys containing a high proportion of the alloy metal, for example low carbon iron chromium, or so called non-rusting iron, containing 13 to 15 of chromium, it is therefore necessary that a fairly large part of the resistance per electrode is transferred to the slag. However, during most of the heating the total resistance in the slag and in the arc should be at least 0.020 ohm per electrode or preferably still higher.
If, during melting, the temperature of the metal has a tendency to become too low, so that the metal may solidify or the conversion between metal and slag may not be as good as it should be, for example to desulphurize the metal, the electrode or electrodes can preferably be immersed in the metal for longer or shorter periods, that is to say that the resistance per electrode can be reduced and thus provide a large amount of heat at the bottom of the bath
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dairy.
The heat can be supplied to different layers of the slag bath and the temperature can be regulated in different parts of the furnace by varying the positions of the electrodes relative to the slag bath, so as to vary the combined arc and slag resistance. by electrode.
Usually the furnace is operated in such a way as to keep the supplied electric power constant, that is to say that, for a given voltage / the amperage is kept at a corresponding constant value, by means of automatic regulators. that can be adjusted for different values of the ampere. rage, by simultaneously varying the positions of the electrodes with respect to the metal bath.
For high combined strength, ie a relatively long arc, heat is supplied mainly to the surface of the slag bath; for medium resistance, i.e. a cuurt arc or beginning of contact between the electrode and the bath of the heir, the greatest amount of heat is supplied to the upper part of the bath of slag, and for a small resistance , ie when the electrode is immersed in the slag, the greatest amount of heat is supplied to the lower part of the slag bath.
As in the such processes mentioned here at the outset, in which a metallic charge is introduced into the furnace on a slag bath, either continuously or at relatively short intervals, the slag bath successively increases by 'thickness during heating or melting, and consequently the voltage drop and the resistance of the slag also increasing, if the combined resistance of arc and slag was kept constant, the drop': the volta- ge in the arc and hence the resistance of the arc would decrease. To avoid this, it should be poured one or more times during melting or otherwise remove a suitable part of the slag from the furnace.
In this respect a continuous casting of the slag is very suitable,
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so as to maintain the slag permanently at a constant thickness; however this is rather difficult to achieve.
However, especially when using tilting furnaces, it is relatively easy to flow slag an appropriate number of times during melting without any process interruption being necessary. In any case, the thickness of the. slag layer (the way that only the resistance of the slag produces the heat necessary to maintain the metal bath and the slag at the necessary high temperature, the remainder of the heat being developed at the point where the heat expenditure is greatest. stronger, ie at the surface of the slag bath.
However, instead of flowing slag, one can compensate for the increase in resistance and, therefore, the voltage drop in the slag bath during melting, by increasing the voltage between the electrode and the metal bath in one or more liver, so that the same voltage drop can be maintained or the. same resistance in the arc, and
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f''1 '' (1! 'l1n / q \ 10t1 1a tI: t11c' J (H \ gU (111r '\ 1' "1O, 1.a 1 '\ 11.11 (11111 (' 1" (1 no 1.1'1- that supplied to the furnace thus increased if the intensity of the current does not change.This adjustment of the voltage can be made for example by changing the transformer connections or by modifying the ratio between the number of turns, the trans- trainers being provided for this purpose with an appropriate number of sockets.
If the electrical power must be kept constant, which is generally the case, the amperage supplied to the furnace decreases in proportion to the increase in voltage; for this the electrode is raised above the metal bath in proportion to the increase in the voltage drop as well as to the desired amperage, this result preferably being obtained by means of automatic regulators.
Accordingly, the power supplied is preferably adjusted by changing the voltage and the position of the electrode relative to the metal bath so that the resistor combines.
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The arc and slag between each of the electrodes and the metal bath increases roughly in proportion to the extent to which the resistance of the slag increases, in other words so as to keep the resistance of the arc constant throughout the fusion.
The disadvantages of increasing resistance as a result of increasing the thickness of the slag bath during heating or melting will naturally be less if the slag has a high specific electrical conductivity. Consequently, these drawbacks can be eliminated in part by suitably controlling the composition of the slag, for example by making the slag strongly basic or by giving it a relatively high proportion of metal oxides, the latter measure being particularly appropriate when is to produce metals with a very low carbon content, for example iron or iron alloys with a carbon content equal to or less than
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In the construction of furnaces for practicing the / process according to the present invention,
we can calculate the furnace as well as its transformers and its conductors, either for high operating voltages, for example from 110 to 220 volts between an electrode or each of the electrodes and the metal bath, or for voltages of less than 110 volts .
However, higher voltages can be used without departing from the scope of the invention. In the first case, when three-phase alternating current and three electrodes are used, the resulting voltage between two electrodes will be 190-380 volts, such voltages not having been used heretofore in electric furnaces. electrodes of an industrial type.
The number of electrodes will be relatively small, especially for the highest voltage, even if the resistance per electrode is maintained for example at 0.03 up to 0.04 ohm. In the second case, that is to say when the voltage is less than
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110 volts, it is necessary to increase the number of electrodes so as to obtain a lower power per electrode so that the ratio between the voltage used and the power per electrode corresponds to the desired high resistance.
The first variant has the advantage of obtaining smaller energy losses in transformers, conductors, etc., a higher power factor and less knife equipment for the electric oven, while the second variant has the advantage of better heat distribution over the entire surface of the bath-in the oven
One could object, relative to the mode of adjustment described above for the adjustment of the current according to a given ohmic resistance between an electrode and the metal bath or the slag bath respectively, that the division of the resistance into slag and in arc depends on the section of the electrode,
the current supplied being distributed over a surface of the slag bath that is all the greater and the resistance of the slag being all the smaller as the section of the electrode is greater. This may be true when the electrode is immersed in or in contact with the slag, but as soon as an arc forms between the electrode and the Initiate this are established for example between part of the edge. lower part of the electrode and the bath and generally moves along the circumference of the electrode. It is for this reason that, when walking with an arc, the distribution of the current in the slag is practically independent of the diameter of the electrode, which must be taken into account in the case of furnaces. industrial.
Another reason why one does not need to take into account the diameter of the electrode is that, during walking, the section of the lower part of the electrode will always decrease and vary at different times. When using an electrode with a large cross-section, however, the resistance per electrode may be a little smaller than when using an electrode with a small cross-section, but of course the resistance must always always be @
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maintained above the lower limit of 0.020 ohm.
In addition to the production of iron and iron alloys cited above by way of example, a production in which a charge of iron oxide and, if necessary, an oxide of an alloy metal is treated with a reducing agent which can be
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a thermal reducing agent such as ferro-silicon, ferro-luminium-silicon, aluminum, etc., or which can be constituted by carbon of any kind or by a mixture of carbon with a thermal reducing agent, the pro - The product which is the subject of the invention can be suitably used for the production of other metals from their metal oxides, for example aluminum or aluminum-based alloys from 'clay or bauxite,
or from their sulphurous ores, for example using calcium or iron to fix sulfur, or to produce zinc for example from complex ores containing zinc and lead. Accordingly, the invention is not limited to the materials mentioned above by way of example, but can be applied to the production of all metals from their ores or other metalliferous materials.