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La présente invention-@ pour objet un procédé de fabrication d'un alliage composé essentiellement de fer et de carbone, appelé communément acier ou fonte, par réduc- tion.directe de, minerai de fer, ledit alliage pouvant conte- nir de quelques centièmes à environ 5% de carbone.
L'invention concerne également un four pour la réalisation du procédé défini ci-dessus,
Suivant l'invention, la faorication d'acier ou de fonte s'effectue par introduction du minerai de fer dans un bain d'alliage de fer et de carbone contenu dans un four électrique chauffé par induction à basse fréquence, de préférence à la fréquence du réseau, et comportant au moins un canal en circuit fermé formant secondaire de transforma- teur, la réduction de l'oxyde de fer du minerai étant effec. tuée principalement par du carbone contenu dans le bain.
Suivant un mode-' ' d'exécution de l'invention, on introduit dans le bain du minerai de fer et du carbone, l'introduction de ces deux matières se faisant de préfé- rence simultanément.
Comme minerai,de fer, on utilise de préférence un minerai riche en fer titrant par exemple 65 à 70% de Fe, et pauvre en soufre et en phosphore. Il est possible cependant, dans des conditions encore économiquement accep- tables, d'appliquer l'invention à des minerais moins ri- ches.
Le carbone utilisé pour la réduction du minerai de fer est de préférence du carbone pur, tel que du char- bon de bois ou du graphite pauvre en soufre. Il est cepen- dant possible d'utiliser d'autres sources de carbone, notan ment de l'anthracite ou du coke, mais l'emploi de ces der-
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nières matières nécessité une purification, notamment -:: 'lE. désulfuration du métal.
Pour la fabrication d'acier, on peut, suivant l'invention, introduire un minerai de fer dans un bain d'alliage de fer carburé contenu dens le four et réduire ce minerai à l'aide de carbone contenu en dissolution dans le bain de métal jusqu'à obtenir la teneur en carbone du type (d'acier désiré. Dans cette forme d'exécution du procédé suivant l'invention, on procède donc sans apport extérieur de carbo- ne, le carbone nécessaire à la réduction étant emprunté au bain lui-même.
La réduction de l'oxyde de fer du minerai dans le four à induction utilisé conformément à l'invention s'opè- re en ordre principal par voie directe par le carbone conte- nu et/ou introduit dans le bain et d'autre part, par voie indirecte, par l'oxyde de carbone produit par la réduction directe.
La réduction s'opère, conformément à l'invention, dans un four à induction comprenant au moins un canal voû- té situé en dessous du niveau du bain, ce canal formant un circuit fermé avec au moins un bassin et constituant, avec ce bassin, le secondaire d'un transformateur électrique.
L'expression "canal voîte" est employée pour désigner un canal fermé à sa partie supérieure qui se trouve à un niveau inférieur à celui du bain contenu dans le ou les ' bassins.
Dans une forme d'exécution particulièrement avan- tageuse du procédé suivant l'invention, on opère dans un four à induction à au moins deux bassins ocmmuniunant entre eux par des canaux situés en dessous du niveau des bàins contenus dans les bassins et on introduit du carbone dans au moins un des bassins pour carburer le métal, tandis qu'on introduit du minerai de fer dans au moins un autre bas- sin pour décarburer le métal, par réduction du minerai.
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Il est pvantHgeux d'utiliser- le contenu 6n,'r'';Gtique des gaz provenant du 1<'' réduction, qui constituent au-dessus du béiin une atmosphère riche fin oxyde d<-' carbone. Ainsi, on peut utiliser les gu en question pour opérer un préchauffée et éventuelleJl1ent une pré-réduction du minerwi avant son introduction d,,ns le four, par exemple en -rnenant les gaz chuds sortant du four en contact, à contre-courant, avec le minerci pendant qu'on amène celui-ci vers l'e four.
Lorsqu'on opère dans un four à induction compre-
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nent, suivant l'invention, deux bassins (four bi-bassin, ou plus, (four multi-bassin), le pré-réduction du minersi peut s'effectuer en introduisant dans le ou les bassins de décar- burstion, en plus du minerai de fer, une quantité de carbone
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suffisn-te pour pré-réduire ce minerai à la surface du bain.
Lorsqu'on opère dans un four à induction compre- nant un seul bassin (four mono-bassin), la pré-réduction du minerai à la surface du bain s'effectue par une partie du carbone introduit dans le bassin avec le minerai de fer.
Suivant une particulcrité complémentaire de l'invention, on applique un chauffage auxiliaire à la surfa- ce du bain alimenté en minerai. Ce chauffage auxiliaire peut s'effectuer par injection d'un gaz oxydant à la surface du bain en question, en utilisant un arc électrique, ou encore par d'autres moyens appropriés.
Suivant une autre particularité de l'invention;, on
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rér,lise unA désulfuration par addition d'un produit de désul- furation dans le bassin de carburation d'un four bi- ou rnulti-bassin, tandis qu'on procède à une déphosphoration dans un autre bassin.de ce four,, cette déphosphoration s'ef- fectuant en cours d'affinage, sous laitier oxydant et basique.
Dans le cas de la fabrication d'acier, on peut, suivant l'invention, opérer en duplex, ctest-à-die en deux phases, la première phase consistant à fabriquer de la fonte
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dans un four bi-bassin ou multi-bassin par le procédé de l'invention et la seconde phase consistant à affiner la fonte obtenue dans là première phase, en opérant, suivant l'invention, dans un four mono-bassin.
Pour l'exécution du procédé suivant l'invention, on peut avantageusement utiliser un four électrique chauf- fé par induction à basse fréquence et comprenant eu moins deux bassins reliés par au moins deux canaux appelés à for- mer avec ces bassins au moins un circuit fermé constituant avec ces bassins le secondaire d'un transformateur électri- que.
D'autres particularités de l'invention ressorti- ront de*la description suivante, dans laquelle il est fait référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un four bi-bassin suivant l'invention; - la figure 2 est une coupe d'un dispositif d'a- limentation et d'extraction des gaz, faite suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne
III-III de la figure 1; et - la figure 4 représente une coupe d'un four à un seul bassin à canal fermé suivant l'invention.
Afin de faciliter l'exposé du procédé suivant l'invention, on donnera d'abord une description de fours suivant l'invention, permettant de mettre en'oeuvre le procédé.
Un premier four donné en exemple non limitatif (figures 1, 2 et 3) se compose d'une enveloppe en acier 1 revêtue intérieurement d'une ou plusieurs couches d'un ca- lorifuge 2 et d'une ou plusieurs couches d'un revêtement de briques et/ou pisé basique 3, 3'. Le revêtement est con-
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stitué de telle sorte qu'il forme deux bassins 4. et 5 com- muniquanl: par des canaux 6 et 7.
La bobine d'inductin 8 formant le primaire d'un transformateur est placée de telle sorte que le bain de métal liquide des canaux'6, 7 et des bassins 4, 5 l'entoure et constitua le secondaire fermé du tansformateur chauf- fé par le courant induit. A l'intérieur de la bobine se trouve un noyau en fer 9 formant un simple ou double cadre fermé passant par l'extérieur et entourant ainsi les ca- naux 6 et 7, tandis qu'autour de la bobine primaire 8 se trouve une enveloppe 10 en métal non-magnétique à double paroi et à refroidissement par circulation d'eau. La sour- ce de courant alternatif alimentant le primaire 8 à la fréquence du réseau est désignée par 30.
Chacun des deux bassins 4 et 5 est fermé par un couvercle 11 et 12 assurant l'étanchéité par l'intermédiai re d'un joint (par exemple joint de sable) 13 et 14. La figure 2 qui représente une coupede la partie supérieure du premier bassin du four, suivant la ligne II-II de la figure 1, s'applique également à la partie supérieure du deuxième bassin munie d'une cheminée 15 et d'une trémie 17, au lieu d'une cheminée 16 et d'une trémie 18
Les cheminées 15 et 16 sont prévues pour l'évacua. tion dés gaz produits par la réaction et les trémies 17 et
18 permettent respectivement l'alimentation en minerai de fer dans le bassin 4 et en carbone dans le bassin 5 ou inversement,
ou l'alimentation enfouie addition ou mélange d'additions dans l'un ou l'autre des deux bassins 4 et 5.
Pour des fours de grande capacité, par exemple
10 tonnes et au delà, il est avantageux si,,non nécessaire de prévoir plus d'une bobine, par exemple trois bobines primaires alimentées en courant triphasé, ou deux fois trois' bobines, ou même davantage. Eventuellement, le four compren-
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dra plus de clou., bassins.
Un deuxième four, donné en exemple non limitatif, représenté à la figure 4 avec des notations analogues à celles des figures 1, 2, 3, diffère du premier en ce qu'il ne comporte qu'un bassin 4. Ses usagesparticuliers seront définis dans la suite.
Les fours peuvent être basculants avec déverse- ment psr le bec 20 comme montré par les figures, ou fixes avec trou de piquée situé de préférence à un niveau légè- renient au-dessus du niveau de la voûte des canaux.
Suivant un autre mode de réalisation particulière- ment avantageux, le bssin 4 de réduction de l'oxyde de fer du minerai est surmonté d'une voûte surélevée, dont l'enveloppe métallique peut former corps avec celle du bassin-
L'alimentation en minerai peut être assurée par un four tournant de type connu (dont la description est. donc superflie) raccordé à la voûte par l'intermédiaire d'un joint, per exemple du type à frottement sur métal refroidi éventuellement par de l'air injecté.
Le four tournant servant é l'alimentation du four mono-, bi-- ou multi-bassin en minerai sert également à l'évacuation du gaz, de manière à permettre de préchauffer et même de, pré-réduire le minerai, par le contact à con- tre-courant du minerai avec le gaz évacué.
Il est évident qu'on peut substituer au four tournant bout autre système mécanique d'alimentation per- mettant ou non de faire passer le minerai à contre-courant dans le courant das gaz chauds sortant du four.
Il est très avantageux d'équiper le four mono-, bi- ou multi-bassin d'un couvercle-pisbon à enforcement réglable ou de tout autre système permet;tant de forcer l'im-
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mersion des additions solides Faites dans le ou les b: s-
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sins de c1JrbtU',QtiOJl.
Le procède nxigo que le four mono.-, bi- ou niAlti- bassin contienne nu départ de l'acier ou de 18 fonte liqui- de ou solide forn'snt le secondaire fermé (l'un transforma- teur et, de préférence, en quantité telle que les canaux soient complètement remplis .de façon A empêcher l'introduc- tion dans le canal de l'une quelconque des additions et tout spécialement de laitier.
Bien que, au départ, la composition du bain ne soit pas imposée, il est préférable de partir d'un bain contenant déjà du carbone ; enrégime, ce bain est évidera- ment le fond liquide de l'opération précédente, étant donné que l'on a soin de ne pas vider complètement le four pour que, dans la position de travail du four, le niveau de métal liquide dépasse celui de la partie supérieure des canaux
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Pour commencer l'opération de fusion-réducbrmce dans un four bi-bassin, on alimente, suivant un rythme en rt:p:j0rt avec la cap3cit6 de l'installation, le bcssin 4 ou bassin de réduction ou de décarburation en minerai de ou bassin
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fer et le bassin 5/de carburation en c[1rbone (figure 1).
' Un excès de carbone dans le bassin 5 est toujours avna- tageux.
Les réactions se produisant dans le bain'du bas- sin 4 sont en ordre principal des réactions de réduction
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directe, en partie, dans li- phase me bal liquida et, en par.- tie, à l' 1n1J(:!l'fl, ce oxydr:: de fer liquide ou solide-bain ces réactions pouvant être Hchéwbisées comme suit :
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Fe0 + C = Fe + CO fe30 +40 =3Fe+4 00 FE2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO et
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3 Fe203 + C = 2 Fa30/. + CO Fe30 + c = 3 Fe0 + c0
Comme la température régnant dans le bassin 4 est très élevée, soit 1300 à 1700 C' mais de préférence 1500 à 1600 C, le produit gazeux de la réaction est sensible- ment de l'oxyde de carbone pur.
Comme cet oxyde de carbone est fortement réducteur vis-à-vis des oxydes de fer, il y aura accessoirement des réductions indirectes, qui peuvent se schématiser comme suit :
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3 Fe203 + GO = 2RO304 + CO2 Fe30 4 + GO = 3 FeO +00 ' 2
Cependant, dans ltensemble on peut considérer que, vu la rapidité de l'opération, les réductions sont princi- palement directes.
Cependant, si on désire favoriser les réactions indirectes et en même temps préchauffer le minerai, on peut, suivant le mode de réalisation particulièrement aven- tageux, faire passer les gaz chauds évacués du four à contr courant sur le minerai acheminé yers le four par exemple par un four tournant dans lequel on peut., éventuellement' par admission d'air à un niveau quelconque, brûler tout au moins partiellement l'oxyde de carbone contenu dans les -gaz évacués audit niveau.
. Ce mode opératoire présente l'avantage d'une uti- lisation immédiate et directe d'une partie de la chaleur sensible et d'une partie ou de lu totalité de la chaleur latente des gaz produits par la réduction directe. Il en
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résulte une diminution à la fois de la quantité d'énergie électrique et de la quantité de carbone nécessaire' pour la réduction.
Des essais expérimentaux avec un four semi-indus- triel de,1,50 KVA et d'une capacité en fonte au acier de 1 tonne ont montré 1''intérêt de l'alimentatio du four en minerai pré-réduit, au stade de FeO.
Cet intérêt s'explique aisément. En effet, le FeO fond à 1370 G, tandis que les points de fusion des compo- sés Fe2O3 et Fe3O4dépassent l600 C. Un laitier riche en FeO: est fluide, en sorte que, d'une part, il permet un dégage- ment facile de l'oxyde de carbone sans projections impor- tantes et, d'autre part, il est émulsionné dans le bain métallique contenant le carbone.
La pré-réduction du minerai permet donc d'accélé- rer les opérations.
Si la réduction préliminaire ou pré-réduction. jusqu'au stade de FeO en dehors du four n'est pas possible, soit parce que la réductibilité du minerpi est mauvaise, soir parce que l'on n'applique pas l'alimentation en mine- rai pré-chauffé et pré-réduit, il est avantageux, pour opé- rer en quelque sorte une pré-réductin dans le four même, de charger une partie du carbone dans le bassin de réduc- tion; de cette façon, le carbone solide participe aux réac- tions et active la réduction des oxydes Fe2O3 et Fe3O4 jusqu'au stade de FeO, en pré-réduisant le minerai à la surface du bain.
Les essais ont également révélé qu'il peut être avantageux d'em loyer une source de chaleur supplémentai- re à la surface du bain alimenté en minerai.
L'application de cette mesure est surtout indiquée lorsqu'on alimente le four en minerai froid ou même en minerai. préchauffé, mais non pré-réduit au stade de
FeO. Le mode opératoire le plus simple consiste à admettre
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ou à injecter au-dessus de la surface du bain dans le bas- sin de réduction, de l'air préchauffe ou non ou de l'oxygè- ne, de façon à brûler une partie du CO;
ceci a pour effet de chauffer le laitier ou le minerni se trouvent en surface du bain métallique, tout en produisantsinsi un mélange CO + CO2 réducteur vis-à-vis du Fe2O4 et à fortiori vis-à- vis du Fe2O3
Bien entendu, on peut en même temps introduire dans le bassin de réduction une partie du carbone de réduc- tion et un supplément de carbone en fonction de la quanti- té d'oxygène introduite, pour activer encore davantage le vitesse de réduction du minerai,
On peut aussi surmonter le bassin de réduction du four à induction mono-, bi- ou multi-bassin.d'une cuve de chargement dans laquelle on charge le minerai et une partie ou la totalité du carbone.
Suivant un autre mode opératoire, on peut chauffer le minerai en surface du bain au moyen d'un arc électrique.
Pour accroître encore la rapidité de l'opéra- tion, il est apparu qu'il est avantageux de travailler avec un bain métallique fortement carburé, contenant par exemple 3 à 5% de carbone. Si l'on opère en maintenant cet- te forte teneur en carbone jusqu'à la fin de l'opération, on obtient de la fonte. Pour obtenir de l'acier, il suffit d'arrêter, au moment voulu, l'alimentation en carbone et de poursuivre l'alimentation en minerai jusqu'à obtention de la teneur en carbone final désirée. Cette phase d'affi- nage peut s'opérer avantageusement dans un four mono-bassin tel que celui représenté à la figure 4. Dans ce four mono- bassin, on introduit seulement du minerai de fer que l'on réduit par le carbone contenu en dissolution dans le bain dé fonte.
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Le mouvement de brassage qui se produit tant dans les bassins que dans les canaux des fours mono-, bi- et multi-bassin, et la très' grande valeur de coefficient de diffusion du carbone dans le fer liquide, assurent l'homogénéisatin des bains, ce qui se produit dans le cas du four bi-bassin par un transport du carbone mis en solu- tion dens le bassin de carburation vers le bassin de réduc- tion 4, dans lequel ce carbone réagit avec l'oxygène dissous et avec l'oxygène du minerai.
Il y a naturellement un grsdient de concentra- tion du carbone entre les deux bassins; ainsi on a constaté expérimentalement les valeurs suivantes données à titre d'exemple : 4,25% de C dans le métal du bcssin de carbu- ration 5 pour 4,04% de C dans le métal du bassin 4 de réduction du minerai.
Le fer réduit se dissout dans le bain et le ni- veau du métal liquide augmente progressivement jusqu'au taux de remplissage admissible. Le moment est alors venu de régler la coraposition finale, 'éventuellement par des ad- ditions convenables, bien entendu après avoir arrêté l'ali- mentation en minerai et autres additions d'élaboration.
Lorsqu'on utilise comme source de carbone de l'anthracite, du coke ou de manière générale une matière carbonée contenant du soufre, il y a lieu de procéder à une désulfuration qui peut s'effectuer avantageusement 'par addition d'un produit de désulfuration tel que la chaux (CaO), le carbure de calcium, ou tout autre produit ou mé- lange désulfurant dans le .bassin de carburation. Ainsi, la désulfuration peut s'opérer dans les meilleures conditions, c'est-à-dire en l'absence d'oxyde de fer et en atmosphère fortement réductrice.
Suivant un mode de désulfuration avantageux, on
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mélange'le carbone et le produit de désulfuration, apres quoi on immerge le mélange dans le bain métallique, contenu dcns le bassin de carburation, à l'aide d'un couvercle-pis- ton ou de tout autre système assurant une immersion forcée dudit mélange. Un autre mode opératoire consiste, à injecter le produit de désulfuration en suspension dans un courant d'un gaz neutre ou réducteur (N2 ou CO,..), sous pression.
La mise en oeuvre du procédé suivant l'invention offre de multiples avantages, dont quelques uns seront énumérés ci-après :
Le procédé de réduction directe suivant l'inven- tion implique une ébullition ininterrompue des bains jusque vers la fin des opérations, et maintient ces bains, tout au moins dans la phase de réduction, sous une atmos- phère gazeuse composée principalement d'oxyde de carbone. ceci garantit la production d'un acier ou d'une fonte très pauvres en gaz hydrogène et azote, c'est-à-dire d'un produit vierge (autrement dit, noncontaminé par des éléments nuisibles), de toute première qualité, en vue de la fabrication d'aciers fins et spéciaux.
L'emploi d'un four à induction du type à deux ou à plusieurs bassins communiquant entre eux par des ca- naux présente l'avantage de permettre simultanément l'éla- boration oxydante dans un bassin et l'élaboration réductri- ce et éventuellement désulfurante dans un autre bassin, ce qui n'est pas possible avec les fours utilisés communé- ment pour l'élaboration de fonte ou d'acier.
Pour la fabrication d'acier, le procédé suivant l'invention est églamement avantageux en ce sens qu'il per- met d'élaborer tout d'abord la fonte à régime constant dans une' batterie de fours du type bi- ou multi-bcssin, puis de transvaser la fonte obtenue dans un four d'affi- nage qui peut être avantageusement un four du type @@@-
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bassin. Dans le four d'affinage, on opère la décarburation voulue par addition de minerai et on procède au besoin' à une déphosphoration sous, laitier oxydant et b- sique.
D'autres avantages évidents du procède suivant l'invention résident dans le fait que les investissements nécessaires pour sa mise en oeuvre sont dérisoires par rnpport à ceux des procédés classiques, ainsi que dans le fait que le coût de production d'acier ou de fonte par le procédé suivant l'invention est sensiblement réduit.
On donnera ci-après un exemple de fabrication d'acier et un exemple-de fabrication de fonte suivant l'invention.
On a utilisé un four à induction électrique de 150 KVA, chauffé par induction à la fréquence du réseau (50 périodes) et d'une capacité d'une tonne d'acier ou de fonte.
1.- Elaboration d'un acier à outils.-
Au départ, le four contenait environ 450 kg de fonte liquide à 1350 C répondent à l'analyse suivante :
C Si Mn P S %: 4,45 0 0,18 0,055 0,011
On a alimenté le bassin de réduction de ce four en minerai de fer brésilien ITABIRA de composition suivante :
Fe SIO2 Al2O3 P S CaO-MgO % 69,26 0,33 0,51 0,017 0,008 traces
On a alimenté le bassin de carburation du four par du graphite et du charbon de bois.
On a enfourné, dans 1,e bassin de réduction, un total de 725 kg de minerai en 50 charges et on a utilisé 170 kg de carbone, en 47 charges.
Dans la première moitié de l'opération, on a in- troduit uniquement du minerai dans le bassin de réduction
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et du carbone dans le bassin, de carburation. Dans la secende moitié de l'opération, on .^. enfourné, dans le bassin, de ré-
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d\1;ctioo. du minerai et 2q5 environ du etrbone2 le restent du carbone étant enfo-Nornf! d'rm18: lue bessla de carburation, les additions dens ce dernier bassin étant faites de facon à maintenir une couche de carbone à la surf!': ce du bain.
L'opé- ration' a duré 13 heures 08 minutes; la tension fournie au primaire du four a oscillé entre 280 et 540 volts (puissance 40 à 135 KW) et la température s'est élevée de 1350 C à 1630 C. On a constaté que pendrnt la phase de réduction qui a pris fin au bout de 10 heures, la teneur en carbone du bain
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de,réduction a varié de 3; 65% z 4,72,!Q. Pendant la période d'affinage qui a suivi la période de réduction précitée, la, teneur en carbone du bain de carburation a progressivement diminué jusqu'à 0.98%.
A la fin de l'opération, on a coulé 600 kg d'acier en laissant dans le four 350 kg de métal. Après les additions en poche suivantes :
Si : environ 0,30%
Mn: environ 0,30%
Al : 150 gr on a analysé l'acier et obtenu les teneurs suivantes :
C Si Mn P S
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.l 0,9$ 0,23 0,42 0,065 ,013
Il est à noter qu'on n'a effectué ni désulfuration, ni déphosphoration.
2.- Elaboration d'une fonte,--
En utilisant les mêmes matières premières on a pro- cédé d'une manière analgoue à celle correspondant à la pério- de de 0 à 10 heures de l'exemple précédent. Au cours de l'o- pération de réduction, la température a varié entre 1490 C et 1565 C et la teneur en carbone a varié entre les valeurs
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extrêmes de 3 3 , et 5,.17Í.
Enfin de l'opération, on a coul en gueuses 560 kg
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de fonte blanche de la; compositionsuivante :
C mn Si P S @ : 3,82 0,040 0,010 0,051 0.011
REVEDICATINS. -
1.- Procédé de fabrication d'un alliage composé es- sentellement de fer et de carbone, apode communément acier ou fonte, par réduction directe de minerai de fer, caractéri- sé en ce qu'on introduit du minerai de fer dans un bain d'al- liage de fer et de carbone contenu dans un four électrique chauffé par induction à basse fréquence, de préférence à la fréquence du réseau,
comportant au moins un canal en circuit fermé formant secondaire de transformateur et en ce qu'on ré- duit l'oxyde de fer du minerai principalement par du carbone contenu dans le bain.