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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.
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