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Brevet d'Invention.
---------------------- Société dite: The Oarborundum Oompany.
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Matière réfractaire.
La présente invention est relative à des corps réfractaires, et en particulier à des matières résistant aux variations de température ainsi qu'à d'autres actions énergiques susceptibles de tendre à la destruction de corps réfractaires fondus. On sait que les corps moulés en matière réfractaire fondue résistent particulièrement bien
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à l'action des scories, mais ne présentent toutefois qu'im champ d'applications très limité, du fait de leur incapacité de résister à des variations brusques de température, caractéristique qui les rend impropres à beaucoup dtapplica- tions, dans les fours.
L'invention porte sur les matières fondues à base d'oxyde de magnésium et d'oxyde d'aluminium et en particulier sur les compositions qui, lorsqu'elles sont obtenues suivant le présent procédé, forment un aluminate de magnésium réfractaire qui en particulier résiste à la rupture et à d'autres sollicitations brutales auxquelles sont exposés les corps réfractaires en matières fondues.
On a trouvé que lorsqu'on fond complètement de l'alumine avec deux à dix pour cent de magnésie, en re- froidissant ensuite la masse fondue, puis en lui donnant la forme d'un corps réfractaire, la matière obtenue présente une microstructure très caractéristique, qui la rend aisé- ment reconnaissable. Cette microstructure consiste en de minuscules cristaux entremèlés de magnésie, spinelle et alumine cristalline, pratiquement exempte de verre, les cristaux du type spinelle se trouvant en majorité. Ces mico- cristaux présentent fréquemment des groupements en sque- lettes, mais la cristallisation entremêlée est caractéri- stique. Dans la série alumina-magnésie on forme un eutectique à environ 8% MgO et 92% A1203, et il est possible que cet eutectique constitue précisément la matière à examiner.
Ceci est toutefois donné seulement comme une explication possible, car les recherches montrent que certains avantages de tels
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corps ont été observés qu'on doive ou non les rapporter à l'eutectique.
Pour la mise en pratique de l'invention, on.peut utiliser la magnésie sous forme de magnésite calcinée du commerce, sans toutefois qu'on soit limité à ce produit de départ. Comme matière de départ pour l'alumine, on peut utiliser différents produits, selon le degré de résistance à l'action du feu qu'on désire obtenir. Généralement, on utilise comme alumine un sous-produit d'alumine fondu, provenant de la fabrication de matières abrasives.granu- leuse, et contenant plus de 95% de A1203, mais on peut aussi utiliser une autre matière alumineuse quelconque. Une compo- sition préférée est constituée par environ 5% de magnésie et 95% d'alumine. Les limites de la composition peuvent varier entre 2 à 10% de magnésie.
Au-dessus de 10% de magnésie la structure caractéristique est détruite, et l'on obtient une structure homogène indésirable. Les corps réfractaires obtenus par ce procédé perdent leur résistance à la rupture lorsque la proportion de magnésie dépasse notablement 10%. Le critérium consiste dans la micro- structure déterminée par examen pétrographique, ainsi que par la résistance à la rupture, déterminée par des essais, mais non pas seulement par la composition elle-même.
Pour la fabrication des corps réfractaires de ce type amélioré, les matières de départ sont réduites jus- qu'à environ 3 à 6 mm., ou même plus fin. encore, puis mé- langées avant la fusion. Une variante du procédé s'est montrée avantageuse lorsque la matière alumineuse utilisée contient une proportion importante d'impuretés. Dans ce cas, au lieu de mélanger, on grille tout d'abord l'alumine en
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présence d'une quantité suffisante de carbone, afin de réduire les différent-es impuretés telles que l'oxyde de fer et la silice après quoi la magnésie est ajoutés à l'alumine fondue. Dans chaque cas, la fusion s'effectue dans un four analogue à ceux qui sont généralement utilisés en vue de la fabrication d'alumine fondue pour matières abrasives.
Ce four se compose principalement d'un récipient en fer refroidi par l'eau, sans aucune garniture, excepté celle qui est formée par la matière fondue, lors de la charge du four. La fusion a lieu tout d'abord grâce à un arc électrique entre deux ou plusieurs électrodes introduites dans le récipient. Après qu'un bain de matière fondue a été formé,la résistance qu'oppose cette matière au passage du courant électrique sert à la création de la chaleur nécessaire. La matière est introduite progressivement, et l'on soulève les électrodes dans la mesure ou le niveau de la matière fondue s'élève.
Le four peut ou bien être ainsi disposé que la matière fondue en est extraite latéralement, ou bien ainsi établi que le récipient sera basculable, pour permettre la coulée de la matière dans le moule..En particulier dans ce dernier cas, il est désirable de prévoir des moyens pour empêcher un rejaillissement de la matière fondue dans le système d'eau de réfrigération. Ceci peut être réalisé grâce à l'utilisation d'un écran métallique convenablement disposé.
La Matière est chauffée à une température notablement supérieure à son point de fusion, puis est coulée dans des moules pouvant se composer de matière réfractaire granuleuse,
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liée au moyen d'un agent de liaison pour noyaux du type de ceux usuels en fonderie. Pour les moules, on peut aussi utiliser toutefois des parois en matière réfractaire, ou bien en carbone ou autre matière quelconque, par exemple un métal. Ces moules peuvent éventuellement être réchauffés préalablement et peuvent aussi être isolés, afin d'em- pêcher une perte de chaleur trop rapide, par exemple du fait qu'on les placera dans un lit de sable ou d'une autre matière isolante.
Sur les moules, on devra prévoir des réserves ou moyens de remplissage, de dimension suffisantes pour assurer un remplissage complet du moule sans que celui-ci soit affecté par la solidification de la matière dans les parties hautes.Si ces éléments sont établis en forme de coin de façon que leur section la plus réduite se trouve directe- ment sur le moule, on facilitera l'éloignement de l'excès, qui formera une tête perdue. Lorsqu'un moule est rempli, on l'éloigne et d'autres moules peuvent être successivement remplis.
Au lieu d'introduire la matière réfractaire fondue dans les moules, il est également possible d'utiliser le four lui -même comme moule. Dans un tel cas, il est dé- sirable de le doubler d'une très légère garniture de matière réfractaire, de façon que la matière fondue puisse arriver jusqu'au bord afin de donner naissance à un bloc lisse. La charge a lieu de la même fagon qu'indiqué plus haut. Les électrodes sont progressivement retirées, et l'on produit un bloc de la hauteur désirée. Ce mode de moulage
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présente l'inconvénient qu'on ne peut remplir seulement qu'un moule à la fois. Cet inconvénient est toutefois com- pensé par le fait que l'on n'a pratiquement pas de perte de matière dans les têtes, ainsi que c'est par exemple le cas dans l'autre méthode de moulage.
Il est parfois désirable de donner aux ouves de four de ce genre une lé- gère dépouille, afin de faciliter l'éloignement de la pièce terminée hors du moule, quoique que ceci soit généralement inutile, en raison du retrait important après la solidifi- cation.
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Les pièces moulées peuvent être soumises dans le moule à un traitement thermique complémentaire,ou peuvent aussi, en particulier avec des moules métalliques, être démpulées peu de temps après que les parois externes de la pièce se trouvent solidifiées, et être recuites sans autre soutien. Les têtes doivent alors être séparées des pièces moulées par frappe, à cet instant, attendu que lesdites pièces moulées se trouvent alors plus résistantes qu'au moment du refroidissement, et l'on court par suite moins de risques de les rompre sous les chocs. Pour une tête de forme conique, se rétrécissant jusqu'à une section réduite sur la pièce moulée, le détachement s'effectue de cette façon de manière relativement facile et nette.
Le recuit ou le refroidissement peuvent avoir lieu suivant les procédés habituels. Après refroidissement des pièces moulées, on peut éloigner par choc, au marteau, ou par meulage, pour les petits défauts, toutes traces super- flues de raccordement des têtes, ou autres petites irré- gularités.
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Les pièces moulées réfractaires à base de magnésie et d'alumine, dans lesquelles règne principalement cette structure cristalline particulière, sont spécialement ré- sistantes aux changements brusques de température, notable- ment plus que les pièces moulées réfractaires fabriquées jusqu'à présent. En outre, elles sont chimiquement relative- ment neutres, de sorte qu'elles offrent un champ d'utilisa- tion beaucoup plus vaste, y compris les cas ou des pièces moulées réfraotaires résistaient à l'action des scories, mais ne pouvaient être utilisées jusqu'à présent du fait de leur fragilité.
Revendications: Ayant ainsi décrit notre invention et nous réservent d'y apporter tout perfectionnement ou modification, qui nous paraîtrait nécessaire, nous revendiquons comme notre propriété exclusive et privative:
1) Corps moulés réfractaires en matière fondue, carac- térisés en ce que ladite matière se compose principalement de magnésie et d'alumine, sa microstructure étant princi- palement constituée par des cristaux entremêlés de magnésie, spinelle, et de cristaux d'alumine.
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Patent.
---------------------- Company known as: The Oarborundum Oompany.
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Refractory material.
The present invention relates to refractory bodies, and in particular to materials resistant to temperature variations as well as to other energetic actions liable to tend towards the destruction of molten refractory bodies. It is known that the castings of molten refractory material resist particularly well
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to the action of slag, but present, however, only a very limited field of applications, due to their inability to withstand sudden variations in temperature, a characteristic which makes them unsuitable for many applications in furnaces.
The invention relates to the melts based on magnesium oxide and aluminum oxide and in particular to the compositions which, when obtained according to the present process, form a refractory magnesium aluminate which in particular is resistant rupture and other sudden stresses to which the refractory bodies made of molten materials are exposed.
It has been found that when alumina is completely melted with two to ten percent magnesia, then cooling the melt and then giving it the shape of a refractory body, the material obtained exhibits a very strong microstructure. characteristic, which makes it easily recognizable. This microstructure consists of tiny interspersed crystals of magnesia, spinel and crystalline alumina, practically free of glass, the majority of which are spinel-type crystals. These microcrystals frequently exhibit skeletal groups, but the intermixed crystallization is characteristic. In the alumina-magnesia series, an approximately 8% MgO and 92% A1203 eutectic is formed, and it is possible that this eutectic is precisely the material to be examined.
This is however only given as a possible explanation, as research shows that some benefits of such
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bodies have been observed whether or not they should be referred to the eutectic.
For the practice of the invention, magnesia can be used in the form of commercial calcined magnesite, without however being limited to this starting material. As the starting material for the alumina, different products can be used, depending on the degree of fire resistance desired. Generally, a molten alumina by-product from the manufacture of abrasive granular materials and containing more than 95% Al 2 O 3 is used as the alumina, but any other aluminous material can also be used. A preferred composition is about 5% magnesia and 95% alumina. The limits of the composition can vary between 2 to 10% magnesia.
Above 10% magnesia the characteristic structure is destroyed, and an undesirable homogeneous structure is obtained. The refractory bodies obtained by this process lose their resistance to rupture when the proportion of magnesia significantly exceeds 10%. The criterion consists of the microstructure determined by petrographic examination, as well as the tensile strength, determined by testing, but not only by the composition itself.
For the manufacture of refractories of this improved type, the starting materials are reduced to about 3 to 6 mm., Or even finer. again, then mixed before melting. A variant of the process has proved to be advantageous when the aluminous material used contains a large proportion of impurities. In this case, instead of mixing, we first roast the alumina in
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presence of a sufficient amount of carbon, in order to reduce the various impurities such as iron oxide and silica after which magnesia is added to the molten alumina. In each case, the melting is carried out in a furnace similar to those which are generally used for the production of molten alumina for abrasive materials.
This furnace consists mainly of a water-cooled iron container, without any lining, except that formed by the molten material, when charging the furnace. The fusion first takes place by means of an electric arc between two or more electrodes introduced into the container. After a bath of molten material has been formed, the resistance that this material opposes to the passage of electric current serves to create the necessary heat. The material is introduced gradually, and the electrodes are lifted as the level of the molten material rises.
The furnace can either be so arranged that the molten material is extracted laterally, or else so established that the container will be tiltable, to allow the casting of the material in the mold. In particular in the latter case, it is desirable to providing means to prevent the melt from splashing back into the cooling water system. This can be achieved through the use of a suitably arranged metal screen.
The material is heated to a temperature significantly above its melting point, then is poured into molds which may consist of granular refractory material,
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bonded by means of a bonding agent for cores of the type customary in foundry. For the molds, however, it is also possible to use walls made of refractory material, or else of carbon or any other material, for example a metal. These molds can optionally be reheated beforehand and can also be insulated, in order to prevent too rapid loss of heat, for example by placing them in a bed of sand or other insulating material.
On the molds, provision should be made for reserves or filling means, of sufficient size to ensure complete filling of the mold without it being affected by the solidification of the material in the upper parts. If these elements are established in the form of a corner so that their smallest section is directly on the mold, it will facilitate removal of the excess, which will form a lost head. When a mold is filled, it is moved away and other molds can be successively filled.
Instead of introducing the molten refractory material into the molds, it is also possible to use the furnace itself as a mold. In such a case, it is desirable to back it with a very light lining of refractory material, so that the molten material can reach the edge to form a smooth block. Charging takes place in the same way as indicated above. The electrodes are gradually withdrawn, and a block of the desired height is produced. This molding mode
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has the drawback that only one mold can be filled at a time. This drawback is however compensated by the fact that there is practically no loss of material in the heads, as is the case, for example, in the other molding method.
It is sometimes desirable to give such furnace openings a slight draft, in order to facilitate the removal of the finished part from the mold, although this is generally unnecessary, due to the large shrinkage after solidification. .
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The molded parts can be subjected in the mold to a complementary heat treatment, or can also, in particular with metal molds, be unpulped shortly after the external walls of the part are solidified, and be annealed without further support. The heads must then be separated from the molded parts by striking, at this moment, given that said molded parts are then more resistant than at the time of cooling, and there is therefore less risk of them breaking under impact. For a conically shaped head, tapering to a reduced section on the molded part, the detachment takes place in this way relatively easily and cleanly.
Annealing or cooling can take place according to the usual methods. After cooling of the molded parts, it is possible to remove by impact, with a hammer, or by grinding, for small defects, any superfluous traces of connection of the heads, or other small irregularities.
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The refractory castings based on magnesia and alumina, in which this particular crystalline structure predominantly prevails, are especially resistant to sudden changes in temperature, notably more than the refractory castings manufactured heretofore. In addition, they are relatively chemically neutral, so that they offer a much wider field of use, including cases where refractory castings resisted the action of slag, but could not be used. until now because of their fragility.
Claims: Having thus described our invention and we reserve the right to make any improvement or modification to it, which we consider necessary, we claim as our exclusive and private property:
1) Refractory castings of molten material, characterized in that said material consists mainly of magnesia and alumina, its microstructure being mainly constituted by intermingled crystals of magnesia, spinel, and alumina crystals.