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Méthode de préparation d'aciers inoxydables et de ferro- alliages à basse teneur en carbone.
Cette Invention se rapporte à la fabrication d'aciers inoxydables et de ferro*alliages à basse teneur en carbone par réduction directe du minerai du ou des métaux de l'al- liage.
Des méthodes de réduction directe du minerai sont le plus généralement basées sur la réduction d'un mélange li- quéfié du ou des composés métalliques oxydés, c'est-à-dire le minerai, avec un agent de réduction non-carboné tels que le ferro-silicium, le silicium métallique, le silicire de calcium, le ferro-chrome-silicium, le ferro-manganèse-sili- oium, ou l'aluminium en tête d'un bain de fer ou d'acier à basse teneur en carbone, et en présence d'un produit de scorification tel que le calcaire ou la chaux destiné à maintenir la basicité de la scorie.
Ces méthodes sont applicables à la fabrication d'allia- ges de fer avec du chrome ou. du manganèse ou avec ces deux métaux, tels que le ferro-manganèse à basse teneur en carbone, le ferro-chrome à basse teneur en carbone, les fers et aciers inoxydables contenant du chrome ou du chrome et du manganèse, et des aciers avec des teneurs élevées en manganèse et rela- tivement peu de carbone tels que ceux qui ont Jusqu'ici
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exigé l'emploi de coûteux ferro-alliages à basse teneur en carbone dans leur fabrication.
La méthode par réduction directe du minerai a trouvé son application la plus importante dans la fabrication des alliages de fer et de chrome connus comme fers et aciers inoxydables. Dans la fabrication de ces alliagea, le con- trôle du carbone est de la plus hqute importance puisque leur inoxydabilité relative croît avec une teneur de plus en plus faible de carbone pour toute teneur en chrome.
Il s'ensuit que les minerais de chrome les plus riches avec une proportion chrome-fer de 2,5 à 1 ou davantage, sont utilises de préférence pour là production de ces ferro alliages à basse teneur en carbone, afin de rabaisser les frais élevés exigés dans la conversion du minerai en ferro- alliage à basse teneur en carbone, tous deux par rapport à la multiplicité des procédés nécessaires et des frais élevés en réfractaires utilises durant les diverses étapes, et aussi pour permettre que la quantité de carbone la plus faible puisse être introduite comme un accident nécessaire.
Pour cette raison, les minerais de chrome du Transvaal et la plus grande production des minerais de manganèse de l'Afrique du Sud ont été grandement négliges en faveur des minerais Rhodésiens et d'autres plus riches.
Ces minerais plus riches sont comparativement rares et montent de prix, et leur existence en quantité notable est inconnue dans l'Union de l'Urique du Sud.
Pour autant que la méthode de réduction directe du mi- nerai évite la production séparée du ferro-alliage à basse teneur en carbone et permet à l'acier fini d'être produit directement à partir du minerai, son développement et son amélioration sont de la plus haute importance économique.
Jusqu'ici, toutefois, les procédés proposes de réduction directe du minerai n'ont pas été un succès pour diverses raisons. Ils exigent un contrôle hautement spécialisa de chaque température et, marne alors, des difficultés sont rencontrées pour empêcher un enlèvement excessif du métal en réduction dans le bain métallique, particulièrement pen= dant les dernières étapes de la chauffe, même lorsqu'un
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excès du ou des composée métalliques réductibles par rap. port aux équivalents chimiques nécessairesest utilisé.
Des aciers faits à l'aide de ces procédés sont exposés à donner des lingots poreux probablement dûs à de l'hydrogène dissous dans le métal provenant, sous l'influence des arcs électri- ques, de l'humidité dans les matières premières quand on opère dans des tours à arc direct ou à partir de toute autre source de chaleur. De plus, les frais en réfractaire de fours opérant selon ce procédé sont très élevés par suite des hautes températures réactionnelles requises et du haut pouvoir réfractaire du ou des composés métalliques oxydés réductibles les plus riches généralement employés.
La présente invention s'écarte des procédés directs habituels, en ce qu'elle élimine le contrôle très serré nécessaire durant l'opération et fournit un remède pour tout enlèvement excessif possible de l'agent réducteur non- carboné par le bain métallique. De plus, la tendance à donner des lingots poreux est éliminée et l'usure des ré= fractaires du four est considérablement réduite.
La présente invention est basée sur une méthode pour préparer des aciers inoxydables et des ferro&alliages à basse teneur en carbone par réduction directe du minerai, caractérisée en ce que le minerai, un agent réducteur et un agent sccrifiant sont préalablement chauffés. introduits ensuite dans le four, et transe-formés en une scorie basique fortement visqueuse qui possède une teneur élevée en oxydes du ou des métaux entrant dans L'alliage et est adaptée pour retenir l'agent réducteur en suspension, et en ce que cette scorie est alors chauffée davantage ou surchauffée et une autre quantité de l'agent réducteur est ajoutée tandis que la scorie est transformée en une forme plus fluide et que les oxydes sont réduits en métal ou métaux de 1'alliage.
L'agent réducteur peut comprendre un quelconque ou plu- sieurs des agents réducteurs non-carbonés déjà mentionnés, c'est-à-dire le silicium ou le ferro-silicium et n'est utilisé qu'en quantités légèrement en excès de l'équivalente théorique nécessaire, permettant les pertes par volatilisa
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tien dans le four. Les quantités de minerai et de produit scorifiant sont calculées pour fournir au bain 1-!addition d' alliage nécessaire pour réaliser un rendement raisonnai ble du métal à partir de l'alliage et pour céder une scorie traitable riche en composés basiques.
La consistance visqueuse de la scorie sert à empêcher l'agent réducteur de se transformer prématurément en phase métal, et veille à ce que l'agent réducteur soit maintenu en suspension dans la scorie durant un temps suffisant pour effectuer une réduction optima des oxydes du ou des métaux entrant dans l'alliage,, La haute teneur en oxyde métallique, en élevant la densité de la scorie, favorise de plus ce résultat.
Le minerai et d'autres matières premières devant être Introduites dans le four, peuvent être concassés à un degré convenable, de préférence à dimension de trois-quarts de pouce ou moins afin d'obtenir ainsi une réaction plus rapide.
Le chauffage préalable de l'agent réducteur du minerai et du-produit scorifiant peut s'effectuer jusque toute température convenable et pour toute durée, et de préférence à une température telle et pour une durée telle qu'on éli- mine notablement toute l'humidité libre ou combinée. C'est un avantage que de charger toutes les matières premières aussi chaudes que possible, afin de diminuer le temps de fusion et de réduire les frais de remplacement,des retrace %aires du four autant que pour épargner des frais de force motrice.
Le chargement s'effectue de préférence par fournées successives d'oxydes et de réducteurs alternativement.
Le minerai peut être mélangé avec une partie du produit scorifiant et l'agent réducteur mélangé à une autre partie de ce produit, les deux mélanges étant préalablement chauf- tés et chargés alternativement. Durant l'opération de chauf- tage préalable, une réaction chimique peut se produire jus- qu'à une certaine limite entre les deux composants des mé- langea, mais ceci n'est pas essentiel à l'invention.
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Le bain de fer ou d! acier à basse teneur en carbone peut être préparé essentiellement à partir de mitraille de fer ou d'alliages non*oxydables qui peuvent ou non contenir le ou les métaux à allierLa mitraille de fer ou analogue, peut être ajoutée au four avec la charge initiale.
Le surchauftage de la scorie visqueuse peut être réalisé à tout degré Convenable de température. Dans le cas de mi- nerais pauvres en chromites du type de ceux du Transvaal, le surchauffage préférable de la scorie est situé entre 1525 et 1725 C.
Quand la scorie épaisse, riche en oxydes et bien sur- chauffée, s'est formée sur le bain, le mélange de 1'agent réducteur chauf avec la chaux ou un autre produit acorifiant en quantité suffisante pour maintenir la nature basique de la scorie est répandu au-dessus de la scorie. Général amant, le rapport des bases totales aux acides totaux est pris en excès de 1,25 pour 1 et peut aller jusque 2 : 1.
La réaction entre l'oxyde ou les oxydes métalliques et l'agent réducteur est exothermique et la chaleur développée maintient la température de la scorie durant un temps suf- fisant pour permettre une réaction à peu près complète.
Dans le cas de production de fer inoxydable, les réactions essentielles sont les suivantes :
FeO. Cr2 O3 + 2 Si = Fe + 2 Or + 2 Sio2
2 Si o2 + 2 CaO = 2 Ca Si 03 '
On a trouvé que pendant que la réaction chimique essen- tielle va de gauche à droite, les électrodes de graphite sont de préférence érigées nettes du bain de scorie (dans le cas où un four à arc direct est utilisé). Ceci permet à la réaction de progresser de manière continue et évite la précipitation de carbone et de silicium sur la phase métal.
Il est important que les fournées de produits soient intro- ,duites de telle manière et aient un degré tel de chauffage préalable et de surchauffage qu'on soit assuré que la tem- pérature de scorie soit maintenue à un niveau suffisamment haut pour permettre que les réactions précitées s'aocomplis-
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sent suffisamment vite. La scorie liquide restant après l'accomplissement de la réaction peut être partiellement évacuée si elle devient trop volumineuse.
Il est avantageux d'avoir un échantillon du bain ana- lysé pour prélever parmi d'autres éléments relevés dans l'agent réducteur, c'est-à-dire le silicium lorsqu'on uti- lise un composé au. silicium, vers la fin du chauffage.
Si une valeur élevée est enregistrée, elle est convoi nablement réduite en ajoutant un poids calculé de morceaux du ou des composés métalliques oxydés qui peuvent être les mêmes que ceux utilisés pour Introduire le ou les métaux à allier à l'acier, après que le chauffage est achevé et Juste avant l'élimination de la charge de la scorie. Ce produit en moreeaux est de préférence d'un type moins ré- fractaire que les meilleurs degrés usuels qu'il est possible d'avoir; et peut contenir un pourcentage plus élevé d'autres oxydes métalliques que ceux de l'élément à allier, par ex- emple des oxydes de fer.
Quand le chauffage est terminé,, on procède à la vidange du four de la façon habituelle. Avant que ceci ne soit fait, d'autres additions de métal à allier ou de désoxydante qui pourraient être requises, sont faites.
La scorie obtenue lorsqu'on opère en accord avec cette Invention contient généralement un rapport accru du ou des métaux à allier par rapport au fer de l'ordre de 8 : 1.
Elle constitue donc une source utile pour la production de ferro-alliages à teneur élevée en alliage. Elle peut être utilisée convenablement dans la production de l'agent réducteur pour céder un produit comme le ferro-chrome-sili- cium lorsqu'on procède à la préparation du fer et de l'acier inoxydables, contenant, en addition à la quantité requise d'agent réducteur, une quantité appréciable du métal à allier au lieu de fer. Ceci diminue matériellement les exigences du minerai et donc le volume de la scorie dans le procédé de productionde l'acier.
Pour la production directe d'alliages de fer avec du chrome, du manganèse ou d'autres métaux semblables, divers
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procédés sont possibles conformément à cette invention.
Ainsi, dans le cas de la production de fer ou d'acier inoxydables, on peut adopter l'un ou l' autre des procèdes suivante* a) Des fournées successives d'un mélange de chromite chaud et séché et de chaux sont fondus dans un bain préparé de fer ou d'acier, contenant légèrement moins de carbone que celui requis dans l'analyse finale. Chaque fournée est fondue et la quantité proportionnelle de ferro-silicium chaud mélangé à la chaux, est répandue sur la scorie. Pro- cédant dans cette voie, l'addition d'alliage nécessaire est faite au bain. Un échantillon de bain, pris à un stade voisin de la fin du chauffage est analysé pour le carbone, le chrome, le manganèse, le silicium et d'autres produits essentiels, si ceux-ci sont requis.
Quand tout le chromite et le ferro-sllicium a été ajouté au four, et que l'analyse du bain est possible, tout ajustement nécessaire des consti- tuants de l'alliage peut étre estimé et fait de la manière habituelle connue des gens de métier.
Un excès du constituant silicium du bain est rectifié par addition de morceaux suffisants de chromites à teneur élevée en oxyde de fer. Le chauffage est alors terminé de manière habituelle et on procède à la vidange. Grâce au grand volume et à. la basicité de la scorie, la teneur en soufre et en phosphore est toujours très basse, habituelle. ment inférieure à 0,025 % en poids. b) Un mélange chaud de chromite et de chaux est chargé dans le four et fondu. Le mélange chaud de ferro-silicium et de chaux est alors ajouté et amené à réagir.
La manière de procéder dans ce cas, comme dans le cas (a) est qu'une scorie épaisse, basique, à teneur élevée en oxyde du métal à allier est formée successivement dans le four et, après un surchauffage allant de 1525 C jusqu'à 1725 C, est trans- formée en une scorie liquide à concentration considérable- ment plus faible en oxydes métalliques réductibles, en ajoutant à nouveau du ferro-silicium chaud et de la chaux.
En procédant de cette manière on obtient un bain de ferro-chrome à basse teneur en carbone. Du fer ou de
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l'acier chaud ou froid à teneur appropriée en carbone est alors introduit et toute la charge est portée à la tempéra- ture appropriée. Une analyse du bain est obtenue et tout ajustement nécessaire des teneurs en alliage et/ou en sili- cium est fait comme en (a) ci-dessus.s
Le procédé peut être réalisa dans tout four convenable capable d'opérer à la température réactionnelle et de main- tenir une fusion complète des matériaux, comme par exemple un four électrique du type à arc direct.
Les exemples particuliers suivants indiquent la manière selon laquelle l'invention peut être réalisée. Ils sont don- nés à titre d'illustration et non à titre de limitation.
Avec différents minerais et/ou agents réducteurs, le procédé sera nécessairement modifié de façon correspondante.
Exemple 1 :
Un bain de 4000 1b. d'acier à basse teneur en carbone, donnant à l'analyse 0,04% de carbone, est produit dans un four du type à. arc direct. A ce bain, on ajoute 1,800 lb. de minerai de chrome du Transvaal chaud mélangé à 350 lbs. de chaux préalablement maintenue à 600'C durant 12 heures.
Apres fusion convenable et surohauffage à une température d'environ 1525 C à 1725 C, les électrodes sont/soulevées entièrement du'bain. 400 1bs. de ferro-silicium, mélanges préalablement à 350 1bs de chaux et chauffée préalablement de façon similaire au mélange chromite*-chaux, sent alors répandue sur la surface de la scorie.
Une seconde tournée de 1,800 lbs de minerai de chrome et 350 lbs de chaux est alors ajoutée et fondue. On procède alors à une troisième fournée de 400 lbs de ferro-silicium avec 350 lbs de chaux. Le bain est alors échantilloné en vue de l'analyse. La température est poussée jusqu'à la température d'écoulement et le bain est maintenu en repos jusqu'à ce que l'analyse soit obtenue. On a constaté une teneur en silicium de 0,60 %.
100 1bs de minerai de chrome en morceaux de la même analyse sont alors ajoutés et 70 lbs de ferro-silicium en
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poudre sont répandue sur la scorie. La température est à nouveau élevée jusqu'à. la température d'écoulement, et la masse de la scorie est enlevée du four:
Un rendement de 4920 lbs de fer inoxydable répondant à l'analyse ci-dessous a été obtenu
Fer inoxydable ! Chrome 12,2 %
Carbone 0,10 %
Manganèse 0,28 %
Silicium 0,12 %
Soufre et phosphore, inférieur à 0,02 % chacun, le reste étant du fer.
La scorie de ce procédé a répondu à l'analyse suivante : Scorie : Cr2 03 13,7%
Fe 0 : 1,5 %
Rapport du Or ou Fe : 6,0: 1
Les analyses essentielles des divers matériaux utilisés dans' cet exemple, sont données ci-dessous:
Minerai de Chrome : Cr2 03 = 37,3 %
Fe 0 25,1 % si 0 7,3%
Rapport du Or au Fe : 1,31 : 1
Ferro-silicium : Si : 60,5 %
Chaux disponible : CaO: 90 %
On notera qu'un total de 600 lbs de chrome a été obtenu dans le fer inoxydable à coté d'un total de 944 lbs de chrome contenu dans le chromite ajouté au four; une récupé" ration en chrome de 63,5% a été obtenue par cette opération.
Exemple 2 :
On charge et on fait fondre 2,500 lbs de mitraille d'acier doux et 500 lbs de mitraillé de ferro-chrome, con- tenant 62,4 % de'chrome, 6,8 % de silicium et 3,4 % de carbone sont dans le four. On ajoute alors 180 1bs de chaux et 210 lbs de minerai de fer. Le bain analysé à ce moment donne : 0,07 % de carbone.
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L'oxyde de chrome dans la scorie a été alors réduit en
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y répandant 100 Ibs de terros111c1um en poudre.
Le reste du chrome est alors Introduit en chargeant
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1,900 lbe de minerai de chrome de Rhodesie mélangé à 700 Ibs de chaux et 600 lbu de terro"s11icium mélange à 700 1bs de chaux alternativement, en quatre lots, dans le tour.
Cette matière est broyée, séchée et chargée à chaud.
L'analyse du bain montre 0,80% de silicium après avoir ajouté loo 1bs de minerai de chrome en gros morceaux et
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après avoir répandu 80 lbu de terro811icium en poudre sur la scorie, on a élevé la température et la masse de la scorie a été enlevée.
On obtient ainsi 3760 1bs de fer inoxydable suivant l'a-
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nalyse c1adessous : s "' Fer Inoxydable chrome 16,3%
Carbone 0,07%
Manganèse 0,62 silicium 0,49 %
Soufre et phosphore, inférieurs à 0,02 % chacun, le reste étant du fer.
La scorie de ce procédé a répondu à l'analyse suivante: Scorie : Gr2 03 : 15,0 %
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J'e 0 2l,6 %
Rapport du Or au Fe : 5,08 :1
Les analyses essentielles des matières premières uti- Usées ont été les suivantes :
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Minerai de Chrome: or2 o? : 8,5 ,4 ' F'e 0 1',0 % Si 0 5, 8 % Mg O 172, % A1203 13,9 %
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Rapport du Or au Fe - 3,28 t 1 " Ferro5siU.oium si 'é 60,5 % Chaux disponible : CaO : 90 %
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On notera que 613 lbs de chrome ont été récupérées dans le métal sur les 663 1bs de chrome contenues dans le chromite chargé plus 310 1bs de chrome contenues dans la mitraille de ferro-chrome chargée. Une récupération de 63 % de chrome a été ainsi obtenue.
Revendications
1.- Méthode de préparation d'aciers inoxydables et de ferroalliages à basse teneur en carbone par réduction di- recte du minerai, caractérisée en ce que laminerai, un agent de réduction et un agent scorifiant sont préalablement chauf- tés, introduits ensuite dans le four et transformés en une scorie basique visqueuse épaisse qui a une teneur élevée en oxydes du ou des métaux à allier, est apte à retenir l'agent réducteur en suspension, et en ce que cette scorie est ensuite chauffée davantage ou surchauffée et une nouvel; le quantité de l'agent réducteur est ajoutée, la scorie étant alors transformée en une condition plus fluide et les oxydes étant réduits en le métal ou les métaux à allier.
2.- Méthode de préparation d'aciers inoxydables et de fetro-alliages à basse teneur en carbone, suivant la reven. dication 1, dans laquelle l'agent réducteur comprend du ferro-silicium, du silicium métallique, du siliciure de calcium, du ferro-chrome-silicium, du ferro-manganèse-sili- cium, de 1!aluminium ou d'autres agents réducteurs non car-* bondes utilisés en quantités légèrement en excès par rapport à l'équivalent théorique nécessaire, pour permettre les pertes par volatilisation dans le four.
3.- Méthode suivant les revendications 1 et 2, dans la- quelle le minerai et autres matières premièree'à introduire dans le four, sont broyées à des dimensions de 3/4 pouce ou autrement de façon à accélérer la réaction.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Method of preparing stainless steels and low carbon ferroalloys.
This invention relates to the manufacture of stainless steels and low carbon ferroalloys by direct reduction of the ore of the alloying metal (s).
Direct ore reduction methods are most generally based on the reduction of a liquefied mixture of the oxidized metal compound (s), i.e., ore, with a non-carbon reducing agent such as ferro-silicon, metallic silicon, calcium silica, ferro-chromium-silicon, ferro-manganese-silicon, or aluminum at the top of a bath of low carbon iron or steel , and in the presence of a slag product such as limestone or lime intended to maintain the basicity of the slag.
These methods are applicable to the manufacture of iron alloys with chromium or. manganese or with these two metals, such as low carbon ferro-manganese, low-carbon ferro-chromium, irons and stainless steels containing chromium or chromium and manganese, and steels with high manganese and relatively low carbon content such as those which have so far
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required the use of expensive low carbon ferroalloys in their manufacture.
The direct ore reduction method has found its most important application in the manufacture of iron and chromium alloys known as irons and stainless steels. In the manufacture of these alloys, carbon control is of the utmost importance since their relative rustability increases with increasingly lower carbon content for any chromium content.
It follows that the richest chromium ores with a chromium-iron ratio of 2.5 to 1 or more, are preferably used for the production of these low carbon ferroalloys, in order to lower the high costs. required in the conversion of the ore to a low carbon ferroalloy, both in relation to the multiplicity of processes required and the high cost of refractories used during the various stages, and also to allow the lowest amount of carbon could be introduced as a necessary accident.
For this reason, the chromium ores of the Transvaal and the greater production of manganese ores from South Africa have been greatly neglected in favor of Rhodesian and other richer minerals.
These richer minerals are comparatively rare and rising in price, and their existence in significant quantities is unknown in the Union of South Urica.
As long as the direct ore reduction method avoids the separate production of the low carbon ferroalloy and allows the finished steel to be produced directly from the ore, its development and improvement are of the essence. highest economic importance.
Heretofore, however, the proposed methods of direct ore reduction have not been successful for various reasons. They require highly specialized control of each temperature and, therefore, difficulties are encountered in preventing excessive removal of the reducing metal in the metal bath, particularly during the later stages of heating, even when
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excess of the reducible metal compound (s) by rap. port to the necessary chemical equivalents is used.
Steels made by these processes are liable to give porous ingots probably due to hydrogen dissolved in the metal resulting, under the influence of electric arcs, from the humidity in the raw materials when one. operates in direct arc towers or from any other heat source. In addition, the refractory costs of furnaces operating according to this process are very high owing to the high reaction temperatures required and the high refractoriness of the richest reducible oxidized metal compound (s) generally employed.
The present invention departs from the usual direct processes, in that it eliminates the very tight control necessary during operation and provides a remedy for any possible excessive removal of the non-carbon reducing agent by the metal bath. In addition, the tendency to give porous ingots is eliminated and the wear of the refractories of the furnace is considerably reduced.
The present invention is based on a method for preparing stainless steels and low carbon ferro & alloys by direct reduction of the ore, characterized in that the ore, a reducing agent and a drying agent are preheated. then introduced into the furnace, and transformed into a highly viscous basic slag which has a high content of oxides of the metal (s) entering the alloy and is adapted to retain the reducing agent in suspension, and in that this slag is then further heated or superheated and another amount of the reducing agent is added as the slag is transformed into a more fluid form and the oxides are reduced to the metal or metals of the alloy.
The reducing agent may include any or more of the non-carbon reducing agents already mentioned, i.e. silicon or ferro-silicon, and is only used in slightly excess amounts of the. theoretical equivalent necessary, allowing losses by volatilisa
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yours in the oven. The amounts of ore and slag product are calculated to provide the bath 1-! Alloy addition necessary to achieve a reasonable yield of metal from the alloy and to yield a processable slag rich in basic compounds.
The viscous consistency of the slag serves to prevent the reducing agent from prematurely converting to the metal phase, and ensures that the reducing agent is kept suspended in the slag for a time sufficient to effect optimum reduction of the oxides of the or. of the metals entering into the alloy. The high metal oxide content, by increasing the density of the slag, further favors this result.
Ore and other raw materials to be fed to the kiln can be crushed to a suitable degree, preferably to a size of three-quarters of an inch or less in order to thereby obtain a faster reaction.
The preheating of the reducing agent of the ore and of the slagging product can be carried out to any suitable temperature and for any time, and preferably at such a temperature and for a period of time such that all the waste is substantially eliminated. free or combined humidity. It is an advantage to load all the raw materials as hot as possible, in order to decrease the melting time and to reduce replacement costs, furnace retrace% areas as well as to save motive power costs.
The charging is preferably carried out by successive batches of oxides and reducing agents alternately.
The ore can be mixed with one part of the slag product and the reducing agent mixed with another part of this product, the two mixtures being preheated and charged alternately. During the pre-heating operation, a chemical reaction can occur up to a certain limit between the two components of the mixtures, but this is not essential to the invention.
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The iron bath or d! Low carbon steel can be prepared primarily from scrap iron or non-oxidizable alloys which may or may not contain the metal (s) to be alloyed. The scrap iron or the like can be added to the furnace with the initial charge.
The superheating of the viscous slag can be carried out at any suitable degree of temperature. In the case of low-chromite mines of the Transvaal type, the preferable slag superheat is between 1525 and 1725 C.
When the thick, oxide-rich, well-heated slag has formed on the bath, the mixture of the reducing agent heats up with lime or other sweetening material in sufficient quantity to maintain the basic nature of the slag is spread over the slag. As a general lover, the ratio of total bases to total acids is taken in excess of 1.25 to 1 and can go up to 2: 1.
The reaction between the metal oxide (s) and the reducing agent is exothermic and the heat developed maintains the temperature of the slag for a sufficient time to allow almost complete reaction.
In the case of the production of stainless iron, the essential reactions are as follows:
FeO. Cr2 O3 + 2 Si = Fe + 2 Gold + 2 Sio2
2 Si o2 + 2 CaO = 2 Ca Si 03 '
It has been found that while the essential chemical reaction is going from left to right, the graphite electrodes are preferably erected clean of the slag bath (in the case where a direct arc furnace is used). This allows the reaction to progress continuously and prevents the precipitation of carbon and silicon on the metal phase.
It is important that batches of product are introduced in such a manner and have such a degree of preheating and superheating that it is ensured that the slag temperature is maintained at a level high enough to allow the slag to be kept. reactions mentioned above are completed
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smells fast enough. The liquid slag remaining after completion of the reaction may be partially drained if it becomes too large.
It is advantageous to have a sample of the bath analyzed to take among other elements found in the reducing agent, i.e. silicon when using a compound. silicon, towards the end of heating.
If a high value is recorded, it is convoyably reduced by adding a calculated weight of pieces of the oxidized metal compound (s) which may be the same as those used to introduce the metal (s) to be alloyed to the steel, after heating is completed and Just prior to the removal of the slag load. This moreeaux product is preferably of a less refractory type than the usual best grades that it is possible to have; and may contain a higher percentage of other metal oxides than those of the element to be alloyed, for example iron oxides.
When the heating is finished, the oven is emptied in the usual way. Before this is done, other additions of alloying metal or deoxidizer which may be required are made.
The slag obtained when operating in accordance with this invention generally contains an increased ratio of the metal (s) to be alloyed to the iron of the order of 8: 1.
It is therefore a useful source for the production of ferroalloys with a high alloy content. It can conveniently be used in the production of the reducing agent to yield a product such as ferro-chromium-silicon when preparing iron and stainless steel, containing, in addition to the required amount of reducing agent, an appreciable amount of the metal to be alloyed instead of iron. This materially lowers the ore requirements and hence the volume of slag in the steel production process.
For the direct production of alloys of iron with chromium, manganese or other similar metals, various
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methods are possible in accordance with this invention.
Thus, in the case of the production of iron or stainless steel, one or the other of the following procedures can be adopted * a) Successive batches of a mixture of hot and dried chromite and lime are melted in. a prepared bath of iron or steel, containing slightly less carbon than required in the final analysis. Each batch is melted and the proportional amount of hot ferro-silicon mixed with lime is spread over the slag. Proceeding in this way, the necessary alloy addition is made in the bath. A bath sample, taken near the end of heating is analyzed for carbon, chromium, manganese, silicon and other essential products, if these are required.
When all of the chromite and ferro-silicon has been added to the furnace, and bath analysis is possible, any necessary adjustment of the alloy constituents can be estimated and made in the usual manner known to those skilled in the art. .
An excess of the silicon component of the bath is rectified by addition of sufficient pieces of chromites with a high iron oxide content. The heating is then terminated in the usual manner and the draining is carried out. Thanks to the large volume and. the basicity of the slag, the sulfur and phosphorus content is still very low, usual. ment less than 0.025% by weight. b) A hot mixture of chromite and lime is charged to the furnace and melted. The hot mixture of ferro-silicon and lime is then added and allowed to react.
The way to proceed in this case, as in the case (a), is that a thick, basic slag with a high oxide content of the metal to be alloyed is formed successively in the furnace and, after superheating from 1525 C up to at 1725 C, is transformed into a liquid slag with a considerably lower concentration of reducible metal oxides, again adding hot ferro-silicon and lime.
By proceeding in this way, a low carbon ferro-chromium bath is obtained. Iron or
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hot or cold steel with an appropriate carbon content is then introduced and the entire load is brought to the appropriate temperature. A bath analysis is obtained and any necessary adjustment of the alloy and / or silicon contents is made as in (a) above.
The process can be carried out in any suitable furnace capable of operating at the reaction temperature and maintaining complete melting of the materials, such as, for example, an electric furnace of the direct arc type.
The following specific examples indicate the manner in which the invention can be carried out. They are given by way of illustration and not by way of limitation.
With different ores and / or reducing agents, the process will necessarily be modified accordingly.
Example 1:
A 4000 bath 1b. low carbon steel, yielding 0.04% carbon on analysis, is produced in a. direct arc. To this bath is added 1,800 lbs. of hot Transvaal chrome ore mixed at 350 lbs. lime previously maintained at 600 ° C for 12 hours.
After proper melting and superheating to a temperature of about 1525 C to 1725 C, the electrodes are lifted entirely from the bath. 400 1bs. of ferro-silicon, previously mixed with 350 1bs of lime and previously heated in a similar way to the chromite *-lime mixture, then smells spread over the surface of the slag.
A second round of 1,800 lbs of chrome ore and 350 lbs of lime is then added and melted. We then proceed to a third batch of 400 lbs of ferro-silicon with 350 lbs of lime. The bath is then sampled for analysis. The temperature is raised to the flow temperature and the bath is kept at rest until analysis is obtained. A silicon content of 0.60% was found.
100 1bs of chromium ore in pieces of the same analysis are then added and 70 lbs of ferro-silicon in
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powder are spread over the slag. The temperature is again raised to. the flow temperature, and the slag mass is removed from the furnace:
A yield of 4920 lbs of stainless iron meeting the analysis below was obtained
Stainless iron! Chromium 12.2%
Carbon 0.10%
Manganese 0.28%
Silicon 0.12%
Sulfur and phosphorus, less than 0.02% each, the remainder being iron.
The slag from this process responded to the following analysis: Slag: Cr2 03 13.7%
Fe 0: 1.5%
Gold or Fe ratio: 6.0: 1
The essential analyzes of the various materials used in this example are given below:
Chromium ore: Cr2 03 = 37.3%
Fe 0 25.1% if 0 7.3%
Gold to Fe ratio: 1.31: 1
Ferro-silicon: Si: 60.5%
Available lime: CaO: 90%
Note that a total of 600 lbs of chromium was obtained in the stainless iron alongside a total of 944 lbs of chromium contained in the chromite added to the oven; a chromium recovery of 63.5% was obtained by this operation.
Example 2:
2,500 lbs of mild steel scrap and 500 lbs of ferro-chrome grape shot are loaded and melted, containing 62.4% chrome, 6.8% silicon and 3.4% carbon are in. the oven. Then 180 1bs of lime and 210 lbs of iron ore are added. The bath analyzed at this time gives: 0.07% carbon.
<Desc / Clms Page number 10>
The chromium oxide in the slag was then reduced to
EMI10.1
spreading 100 lbs of powdered terros111c1um therein.
The rest of the chromium is then introduced by charging
EMI10.2
1,900 lb of Rhodesian chrome ore mixed with 700 lb of lime and 600 lb of terro-silicon mixed with 700 lb of lime alternately in four batches in the lathe.
This material is crushed, dried and hot charged.
Analysis of the bath shows 0.80% silicon after adding loo 1bs of chunky chromium ore and
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after spraying 80 lb of terro-silicon powder on the slag, the temperature was raised and the mass of the slag was removed.
This gives 3760 1bs of stainless iron according to the a-
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analysis below: s "'Stainless steel 16.3% chrome
Carbon 0.07%
Manganese 0.62 silicon 0.49%
Sulfur and phosphorus, less than 0.02% each, the remainder being iron.
The slag from this process responded to the following analysis: Slag: Gr2 03: 15.0%
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I 0 2l, 6%
Gold to Fe ratio: 5.08: 1
The essential analyzes of the raw materials used were as follows:
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Chromium ore: or2 o? : 8.5, 4 'F'e 0 1', 0% Si 0 5, 8% Mg O 172,% A1203 13.9%
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Ratio of Gold to Fe - 3.28 t 1 "Ferro5siU.oium si 'é 60.5% Available lime: CaO: 90%
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It will be noted that 613 lbs of chromium were recovered in the metal out of the 663 1bs of chromium contained in the charged chromite plus 310 1bs of chromium contained in the charged ferro-chrome scrap. A recovery of 63% of chromium was thus obtained.
Claims
1.- Method of preparing stainless steels and ferroalloys with low carbon content by direct reduction of the ore, characterized in that the laminate, a reducing agent and a slagging agent are preheated, then introduced into the furnace and processed into a thick viscous basic slag which has a high content of oxides of the metal (s) to be alloyed, is able to retain the reducing agent in suspension, and in that this slag is then further heated or superheated and renewed; the amount of the reducing agent is added, the slag then being transformed into a more fluid condition and the oxides being reduced to the metal or metals to be alloyed.
2.- Method of preparing stainless steels and low carbon fetroalloys, depending on the market. dication 1, wherein the reducing agent comprises ferro-silicon, metallic silicon, calcium silicide, ferro-chromium-silicon, ferro-manganese-silicon, aluminum or other reducing agents non-carbonated * bungs used in amounts slightly in excess of the theoretical equivalent required, to allow for losses by volatilization in the oven.
3. A method according to claims 1 and 2 wherein the ore and other raw materials to be introduced into the furnace are ground to 3/4 inch sizes or otherwise to accelerate the reaction.
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