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procédé de production d'alliages; ferrugineux ou d'autres alliages.
La présente invention se rapporte à un procédé perfectionné pour allier' des métaux, particulièrement le fer et l'acier-, avec d'autres métaux qu'on peut obtenir par, réduction de leurs oxydes. et plus spécialement pour la production d'aciers, à teneur- élevée en métal d'alliages et à teneur négligeable ou faible en carbone, comme il est dit au mémoire descriptif qui suit.
L'invention consiste principalement en un procédé, pour transformer en alliage un bain de métal ferrugineux fondu, suivant lequel un oxyde du métal d'a,lliage (métal
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à incorporer dans l'alliage) et un agent réducteur convenable, tel qu'un siliciure métallique, tous deux dans un état de division relativement grand sont liés ensemble par un hydroxyde alcaline-terreux approprié;
tel que la chaux éteinte, ou par une solution d'un chlorure alcalino-terreux, tel que le chlorure de magnésium, et une quantité justement suffisante d'eau est ajoutée pour former une ;nasse plastique, la quantité de cette matière liante employée étant suffisante pour lier ensemble ces ingrédients et pour transformer partiellement en flux la silice formée par les réactions qui se manifestent dans cette masse. le quantité de l'hjdroxyde alcaline-terreux nécessaire pour obtenir ce résultat et pour maintenir une densité suffisante des pièces ou blocs moulés pour que, lorsqu'on les introduit dans la cnambre au four:
il puissent pénétrer dans le laitier et venir en contact direct avec la surface au bain de métal ferrugineux fondu, varie générglement entre 10 et 12 parties pour 100 parties du mélange (minerai et siliciure métallique), La. masse plastique est pétrie aans un moulin appropriée quelconque et peut être moulée en pièces ou blocs re- lativement lourds, pesant environ de 40 à 50 livras anglaises ou davantage, et ils peuvent être de toutes formes, dimensions et poids en vue de leur maniement par les desservants du four.
Ces pièces ou blocs moulés peuvent, après qu'on lesa séches par l'air à la température ordinaire (le séchage pouvant être accéléré par un courant d'air), être traités par un badigeon de lait de chaux et, après qu'ils sont suffisamment secs, on les transfère à une étuve ou un four appropriés où l'excès d'eau ou l'eau retenue librement est expulsée.
on les chauffe encore ensuite a une température relativement élevée dans cette chambre ou bien on les transfère à cet effet à une chambre séparée, le but étant de chasser toute eau retenue par la masse pétrie de matière d'alliage et l'hydroxyde alcalino-terreux à la fois,
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de sécher à l'air les pièces et de chasser également tout gaz carbonique (CO2) que la chaux peut avoir absorbé avant qu'on charge ces pièces dans le four dans le but de produire l'alliage.
La température de ce dernier' chauffage dépasse 1650 F. ou 900 C. On a constaté,dans la mise en oeuvre de l'in vention pour la prcduction réelle d'acier spécial et le laminage de bandes chaudes à partir du lingot, qu'une température dépassant 1650 F, a donné .des résultats satisfaisants pour débarrasser* les pièces ou blocs de matière d'alliage de toute eau combinée, formée par la réaction chimique lors du séchage à l'air de la masse pétrie de minerai et de chaux.
Au cours de la mise en oeuvre de la présente invention et d'observations faites à ce sujet, on a constaté que l'intervalle de température pour- atteindre ce résultat désirable et pour libérer- complètement de gaz ces pièces ou blocs dépend en grande partie des caractéristiques et de la matière d'alliage et de l'hydro- xyde alcal-ino-terreux employés, qui sont des constituants des pièces ou blocs moulés et, pour ce motif, la température peut varier de 700 à 1000 C.
Le but de- ce chauffage final dans l'intervalle de température précité est de chasser toute eau libre restante ainsi que l'eau combinée et colloïdale retenue par. les pièces ou blocs et. tout gaz carbonique qu'ils peuvent avoir absorbé, afin que, lorsque les pièces ou blocs chauffés sont chargés dans la chambre du four, le bain de métal ferrugineux fondu n'absorbe pas de gaz aux dépens de ceux-ci, qu'en raison de leur densité, de leur poids et de leur chaleur, ces. pièces ou blocs déplacent.
le laitier et viennent en contact direct avec la surface du bain fondu de métal ferrugineux et que, lorsque' le métal ou les métaux réduits sont libérés des pièces ou blocs, ces métaux transfèrent la chaleur développée par la réaction exothermique et passent directement dans le bain
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métallique sous la protection de la couche de laitier qui le recouvre, de manière à empêcher ainsi d'une manière sensiblement complète l'oxydation du métal d'alliage ou des métau d'alliage et leur passage dons le laitier-.
En exécutant l'invention suivant ces directives, on a constaté, comme caractéristique importante, que le procédé, qui implique l'application de l'invention, constitue un moyen simple, peu coûteux et efficace pour allier un bain de métal ferrugineux fondu avec le métl d'alliage, par exemple le chrome, parce que le minerai du métal d'alliage peut être appliqué directement au corps fondu ou bain du métal à transformer en alliage et parce que, grâce à la présente invention, on peut employer un minerai d'alliage de qualité moindre (par exemple pauvre , un minerai contenant du chrome) qu'il n'était possible de le faire jusqu'à présent.
un a constaté en réalité dans la pratique que, ccnformément à la présente invention, on peut mettre en oeuvre avec succès le procédé d'alliage en employant un minerai de chrome pauvre dans lequel le rapport du chrome au fer est de 1,7 à 1, c'est à dire un minerai contenant approximativement 40% de sesquioxyde de chrcme, tandis que, dans la pratique antérieure, il n'é tait possible d'effectuer avec succès l'opération d'alliage qu'en employant un minerai de chrome riche, de prix plus élevé, présentant un rapport de 3 à 3,5 de chrome pour 1 de fer, c' est à dire un minerai d'une teneur moyenne en sesquioxyde de chrome (Cr2O3) de 50% environ.
Dans la mise en oeuvre de la présente invention, entre en outre une considération importante, celle qu'on peut l'appliquer sans modifier les installations existantes qui travaillent soit avec des fours basiques à foyer ouvert; soit avec des fours électriques basiques, qu'à la .fin de la période d'allia- ge le bain de métal fondu est complètement désoxydé et qu'il con-
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serve suffisamment de chaleur et de fluidit.é pour le couler et le distribuer.
De plus, lorsqu'on exécute le procédé d'alliage suivant la présente invention, les lingots obtenus sont sains et se laissent bien forger-, et on a -constaté au laminage en bandes une caractéristique prononcée et importante dans le fait que les arêtes. de la bande sont exemptes. de rupture et de bavures déchiquetées., telles que celles qui se produisent ordinairement et qui doivent être enlevées comme mitraille, avec les pertes qui en résultent. D'ordinaire, les aciers a forte teneur en chrome ne sont pas produits dans les fours à foyer ouvert en raison de l'atmosphère fortement oxydante de ce four;
mais, quand on procède comme on l'explique dans ce mémoire, on peut produire un tel acier- dans ces fours, et la perte directe par oxydation du chrome entrant dans l' alliage est beaucoup moins forte, parce que le procédé utilise du chrome, moins riche et moins cher, au lieu du ferro-chrome à faible teneur en carbone, préparé spécialement etplus coûteux
On a constaté également que le produit final obtenu suivant la présente invention a un grain plus fin et p lus dense et une surface plus unie que, à la connaissance des demandeurs, dans tout alliage fini, produit suivant un procède actuel quelconque ou suivant la pratique normale.
Les exemples suivants de mise en oeuvre de l'invention et ses différences avec certaines conditions bien connuesinhérentes à ces pratiques soulignent le progrès constituant la contribution de la présente invention à cette industrie.
En ce qui concerne ces pratiques actuelles, il est bien entendu que, lorsqu'on produit certaines qualités d'alliages de fer et d'acier contenant des faibles pourcentages des métaux d'alliage, on peut ajouter. ces métaux d'alliage à l'état- de ferro-alliages qui ont été formés en réduisant ces métaux à partir de leurs
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oxydes, au four électrique, au moyen de carbone en présence de fer métallique ou de minerai de fer ;mais ces ferro-alliages renferment des pourcentages relativement élevés de carbone.
Du fer ou de l'acier renfermant un faible pourcentage de chrême ou d'un autre métal d'alliage et u.ns .lesquels la teneur en carbone n'est pas trop fortement restreinte, peuvent être produits par les procédés au four à foyer ouvert, au four électrique ou au creuset, à l'aide du ferro-alliage ordinaire a teneur élevée, en carbone comme agent d'alliage, et aucune précaution inusitée n'est nécessaire pour éviter l'absorption de carbone.
Dans le procédé ordinaire au four à foyer ouvert, on ajoute la quantité nécessaire de ferro-alliage au bain d'acier, tout juste assez tôt avant la coulée pour permettre la fusion du ferro-alliage et son mélange efficace dans toute la charge, sinon, lorsqu'on emploie du ferro-chrome, il se produit une perte de ce métal parce qu'a la température élevée de l'a cier fonou, le chrome est capable de réduire des oxydes de fer, le chrome étant oxydé lui-même et passant dans le laitier. Dans le procédé au four électrique, l'addition du ferro-alliage peut être faite à n'importe quel moment et, dans le procédé au creuset, on la fait généralement au commencement, avec la charge.
Lorsqu'un pourcentage élevé de métaux d'alliage et une teneur faible en carbone soit demandés,l'emploi de ces ferro-alliage à teneur élevée en carbone est prohibitif,et cela est vrai principalement dans le cas où l'on fait des alliages d'acier renfermant un pourcentage élevé de chrome et une teneur en carbone limitée à 0,1% au maximum.
Bien que la teneur en carbone de ces ferro-alliages puisse généralement être réduite par des traitements supplémentaires de refonte et d'affinage, ces traitements supplémentaires rendent très coûteux les ferro-alliages obtenus, à faible teneur en carbone. on a proposé d'autres procédés pour proluire des/-)
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ferro-alliage à faible teneur en carbone ou bien des métaux et des alliages exempts de carbone, mais les produits coûtent extrêmement cher-. Le procédé "Thermite" bien connu produit par exemple des. métaux et des alliages exempts de carbone, par ré- ductïon au-moyen de l'aluminium, sans l'aide d'énergie électrique et, dans certains cas, en l'absence de fer, mais le prix élevé du produit s' oppoae à s on emploi général.
Toutefois, on peut produire économiquement, au four électrique, du ferro-silicium pratiquement exempt de carbone, parce que le fer, et le silicium se combinent en ne prêtant qu'une faible affinité à l'absorption du carbone par le fer, et ce pro- duit peut être employé.
utilement au lieu de l'aluminium, pour produire des alliages, à faible teneur en carbone, avec l'acier
La fabrication d'alliages, à base d'acier, renfermant un pourcentage élevé en métal d'alliage et, un faible pourcentage de carbone, tels, par' exemple, que les aciers au chrome du type résistant à la corrosion ou du type résistant à la chaleur et contenant 12% ou plus de chrome et, au maximum, 0,10% de carbone, exige un degré de spécialisation très élevé dans la pratique de la métallurgie.
De tels aciers sont produits en majeure partie au four électrique basique, à arc, en ajoutant de l'alliage ferro- chrome à. faible teneur en carbone, par intervalles, au bain de métal et en surchauffant ce bain de métal avant chaque addition de l'agent d'alliage. Comme le carbone doit. ne pas dépasser 0,10% on doit employer- 1-*alliage ferro-cjrpme, exempt. de carbone ou pauvre en carbone, qui est coûteux.
Dans ce procédé, la pratique usuelle consiste àd fondre une quantité donnée de mitraille à faible teneur en soufre et exempte de phosphore ou un mélange de mitraille de bonne qualité de carb one et de fonte,à décarburer' le bain métallique jus qu'à 0,04 %/à l'aide d'un minerai riche, à enlever ensuit.e le laitier oxydant accumulé dans toute la massefondue; et à. la remplacer par du
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laitier frais fit de chaux, de spath fluor et de ferro-silicium.
Lorsque ce laitier estfondu; on fait; à intervalles,les additions de ferr o-chrome, ou d'autres alliages, en surchauffant le bain avant chaque addition.
Cette pratique a généralement pour résultas une récupération de 90 à 95% environ des métaux d'alliage ajoutées, mais elle n'est possible qu'au four électrique tout en maintenant un milieu non oxydant pendant les additions de logent d'alliage.
Il en résulte que ce procédé est coûter lorsque l'énergie électrique c oQte cher .
Un autre procédé antérieur pour la Réduction d'aciers au chrome à faible teneur en carbone comprend l'addition de chrome à l'état de chromite relativement peu coûteuse avec le ferrosilicium comme agent réducteur. Dans ce procédé, après que le bain de métal a été décarburé à la façon usuelle, on produit du laitier nouveau à la surface du bain, et les additions successives de chromite pulvérisée et cie ferro-silicium pulvérisé sont faites en jetant ces substances sur la surface du laitier où elles flottent de-ci-de-la et se mélangent avec le laitier fondu.
Dans ce procédé, la réduction par le ferrp=silicum est effectuée a la surface au laitier, où existe une forte tendance à l'oxydation, et le chrome réduit doit passer au laitier dans le bain de métal.Par conséquent, on doit prendre de grandes précautions pour éviter des pertes de métal d'alliage lorsque le décrassage nécessaire est effectué ;
la réduction a lieu lentement de sorte que le chauffage est très prolongé et le laitier résultent contient une quantité appréciable de métal
A cause du milieu fortement oxydant qui existe dans le four à foyer ouvert usuel, les procédés précédents pour l'ob- tention d'un acier ou d'un autre alliage riche en chrome et pauvre en carbone sont nécessairement limites au travail avec des fours électriques.
L.utre le colt de l'énergie électrique, l'emploi des
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fours électriques entraîne d'autres désavantages du fait qu'un contrôle déficient de l'électrode et la probabilité du détachement de fragments de carbone ou de graphite des électrodes peuvent gâter la charge de métal chauffé, par augmentation de la teneur en carbone.
La présente invention a pour buts : de fournir un procédé perfectionné économique et efficace pour produire des alliages de fer- ou d'acier renfermant un pourcentage élevé de métal d'alliage et ayant une teneur faible en carbone ;de fournir un procédé nouveau pour produire de 1'acier, riche en métal allié et pauvre en carbone, qui peut être exécuté d'une manière satisfaisante soit dans un four à foyer ouvert, so.it dansun four électrique; de fournir un procédé perfectionné et rapide pouc produire un acier à teneur élevée en chrome ou en un autre métal d'alliage et à teneur basse en carbone, en utilisant des matières. d'alliage et de réduction peu coûteuses; de fournir un procédé perfectionné pour produire des aciers à teneur. élevée en métaux alliés et à teneur basse en carbone;
procédé dans lequel les réactions entre les métaux d'alliage et les. matières réductrices sont exothermiques, de manière à éviter de surchauffer le bain de métal lorsque ces matériaux sont. ajoutés ;de fournir un procédé perfectionné dans lequel les réactions exothermiques entre les matériaux employés sont utilisées complètement pour maintenir chaud et fluide le bain de métal ;
de fournir un procédé perfectionné dans lequel les matières d'alliage et de réduction sont maintenues en contact intime pendant la réduction, de manière à donner un rendement plus élevé au métal d'alliage et, en général, de fournir un procédé perfectionné pour produire des aciers ri.ches en chrome ou en d'outrés métaux d'alliages et à faible teneur en carbone, procédé dans lequel les matières d'alliage et de réduction sont maintenues en contact avec la surface du bain de métal, au-dessous da laitier, pendant la réduction, de manière à accélérer celle-ci et à ampêcher l'oxydation du métal damage et son passage dans
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le laitier.
Ces but et d'autres buts sont atteints par les per- fectinnements constituant la présente invention qui peut être exposée, en termes généreux, comme comprenant un procédé de pro- duction d'un alliage ou d'un acier et/ou d'autres métaux suscep- tibles de s'allier, y compris l'opération d'addition, au bain de métal, de blocs moulés relativement lourds contenant un ou plu- sieurs oxydes du métal d'alliage et un siliciure métallique, ces blocs étant capables de pénétrer dans le laitier et de venir en contact direct avec la surface du métal fondu du bain.
Pour le procédé, qui sera décrit maintenant et qui a été mis en oeuvre avec succès dans l'industrie, on peut employer avec avantage le four a foyer ouvert basique pour les aciers à teneur élevée en chrome et à teneur basse en carbone, sans perte indue de chrome plus considériable que celle qui a lieu lorsqu'on produit la même qualité d'acier au four basique à arc électrique, parce que la réduction de la chromitepar le ferro-silicium a lieu au-dessus de la surface du laitier, en contact intime avec la surface du métal fondu. une façon de procéder employée de préfé- rence est la suivante :
On broie, de préférence à grosseur du tamis de 60 mailles par pouce linéaire (568 mailles par cm2), du minerai de chrome ou chromite et 'de ferro-silicium dans les proportions cor- rectes pour effectuer la réduction des oxydes de chrome et de fer suivant les réactions chimiques suivantes : 2 Cr2O3 + 3 Si = 4 Cr + 3 Sio2 Sesquioxyde + Silicium = Chrome + Silice. de chrome 2 FeO + si = 2 Fe + Sio2 oxyde + Silicium = Fer + Silice. ferreux lin peut employer un léger excès de chromite pour em- pécher le silicium de rester non oxydé en quantité quelconque et
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de s'allier au métal réduit.
A ces ingrédients, on ajoute de la chaux éteinte ou hydrate de chaux (CaH2O2) de préférence à l'é- talt pulvérisé, en quantité suffisante pour se combiner à la sili.ce engendrée par les réactions susvisé-es, pour former , avec une partie de cette silice, un fondant et pour lier ensemble ces ingrédients.
On les mélange ensuite intimement les uns avec les autres, après quoi on ajoute tout justement assez d'eau pour pro- duire une masse plastique convenable pour le moulage, cette nasse étant, de préférence, bien pétrie dans un moulin approprié quel- conque. La masse pétrie est ensuite moulée de préférence en blocs ou pièces de forme et de dimensions convenables pour leur- manie- ment par les ouvriers desservant le. four, et ils peuvent consis- ter en des blocs de 8" x 10" x 6" de quarante à cinquante livres anglaises.
Lorsque Les pièces ou blocs moulés sent amenés sur la. surface du bain de métal, du fait que leur densité et/ou leurs poids sont plus élevés que ceux du laitier couvrant le bain, ils déplaçait ce laitier et viennent en contact direct avec la surface du métal fendu se trouvant sous la couche de laitier.
Bien qu'il soit préférable d'employer du ferro-sili- cium à cause de son prix peu élevé, et la facilitée de se le procurer, dautres siliciures peuvent être employés, si on le désire.
On perment d'abord aux pièces moulées de sécher à la température ordinaire pendant 24 heures enviro.n, ou bien ce séchage peut être accéléré au moyen d'un courant d'air, lorsqu'elles sont destinées à être employées dans un four a foyer ouvert, on 'les traite de préférence, en les aspergeant, ou d'une autre fa- çon, au moyen d'un badigeon de lait de chaux. Ensuite, après qu'elles ont séché suffisamment, on les transfère de préférence à une étuve ou à un four de séchage appropriés, où l'excès d'eau libre est chassé.
On peut alors soit les chauffer- dans cette chambre ou les transférer à une chambre de chauffage séparée
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qu'on amène à une température supérieure a 1600 F, Des opérations pratiques ont montré que ce chauffage est nécessaire pour chasser l'eau combinée ou l'eau colloïdale formée par la réaction chimique lors du séchage a l'air de la massepétrie de minerai et de chaux et pour empêcher ainsi le bain d'absor- ber des gaz.
Les pièces moulées et chauffées peuvent alors être retirées, selon les basoins de la chambre de chauffage et, pendant qu'elles sont chaudes, elles sont prêtes à être chargées directement dans le f'our de fusion contenant le bain de métal, pour s'allier avec calui-ci,
La façon de procéder usuelle peut être suivie pour préparer le bain de métal fondu dans un four à foyer ouvert et le laitier oxydant formé pendant la phase de fusion est enlevé, après quoi, on peut ajouter un nouveau laitier de spath flour, de chaux et de ferro-silicium. Les additions du métal d'alliage sont faites alors en amenant les pièces ou blocs mouléssur le bain de métal, comme il a été ait.
La nécessité usuelle de surchauffer le bain de métal avect chaque addition est évitée, parce que les réactions chi- miques qui ont lieu, à la surface du bain ae metal proauit, et entre la chromite et le ferro-silicium, sont exothermiques, et que la chaleur ainsi dégagée est transférée au bain métallique et maintient celui-ci chaud et fluide. A la fin de la période de formation de l'alliage, le bain est suffisamment chaud et "calmé" pour le cculer et le distribuer dans des molles où le métal demeure parfaitement tranquille. Le mot "calmé" appliqué à l'acier signifie que l'acier est suffis amment désoxydé pour qu'il reste tranquille dans les lingotières.
Les pièces ou blocs moulés présentent l'avantage important qu'ils durcissent pendant leur conservation et qu'ils ne s'émiettent ou ne se désintègrent pas lorsqu'on les projette sur le bain de métal a la température du four de fusion de l' a-
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cier En outre, quelle que soit la façon dont les pièces ou blocs pour- 1''alliage sont projetés dans le bain fondu, ils se redresseront toujours, de sorte qu'ils flottent toujours avec leur c8té le plus grand ou plus lourd dirigé vers le bas, en contact direct avec la surface du bain de métal.
Du fait que la densité et le poids de cette matière compacte qui constitue les pièces moulées relativement lourdes sont plus grands que ceux du lattis* f'ondu, elles traverseront ou déplacer-ont rapidement le laitier- . et viendront en contact direct avec la surface du bain de métal.
Grâce au contact, des pièces. moulées avec la surface du bain de métal et au contact intime entre la chromite et le ferro silicium moulés ensemble dans les pièces moulées, la réduction pr'ogresse rapidement au-dessous du laitier en contact avec la surface du bain de métal et, à mesure que les métaux d'alliage sont libérés par- les réactions, les pièces moulées diminuent graduellement de grandeur-, les métaux réduits passant directement dans le bain fondu et transportant avec eux la chaleur. Il en résulte qu'on réalise un rendement ou une récupération considérable des métaux d'alliage, parce que à peu près rien de ces métaux n'est oxydeet n'a passé dans le laitier.
Le procédé perfectionné permet, lorsqu'on Inappliqué à la fabrication de 1'acier au chrome, de produire de Il acier qui. renferme de 12 à 14% de chrome ou davantage et dent la teneur en carbone ne dépasse pas 0,1%. Comme la chromite est beaucoup moins chère que le ferro-chrome à basse teneur en carbone et comme on peut produire, écon omiquement du ferro-silicium à basse teneur en carbone, les matériaux d'alliage et de réduction employée sont relativement peu coûteux.
En outre, on peut produire, par le présent procédé perfectionné, des aciers- spéciaux ayant un pourcentage élevé en métaux d'alliage,à faible .teneur en carbone, avec un gain considérable de temps, un gain au point de vue du prix des matériaux et du travail, et un gain dans la récupération ou le rendement; @
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Bien. qu'on ait décrit dans ce qui précède l'application du procédé perfectionné à le production ae l'acier à teneur élevée en chrome et à teneur basse en carbone-, ce procédé est applicable également à la production d'alliages analogues du fer et de 1'acier avec de nombreuxautres métaux d'alliage, tels que le tungstène et le vanadium.
Le procédé perfectionné est applicable également a la production d'alliages d'acier à teneur plus élevée en carbone et à teneur plus basse en métaux d'alliage
Ce qui précède montre qu'une des caractéristiques essentielles de la présente invention réside dans le fait que, dans la"pièce" ou bloc de matière pour l'alliage, les matières d'alliage et de réduction sont maintenues dans un état tellement compact que toutes les particules de ces matières sont en contact intime. Il en résulte que les réactions exothermiques sont complètement utilisées penuant la période de réduction ; en d'autres termes, la chaleur dégagée par ces réactions est transportée et répartie dans le bain tout entier de métal fondu.
Ceci assure que la coulée de l'alliage a lieu avec celui-ci à l'état désoxydé et homogène, ce qui réduit dans une très grande mesure les pertes dues généralement eux défauts de la surface et des arêtes, En outre, le procédé utilisant les pièces ou blocsde matières a'alliage exécutés conformément à la présente invention donne comme résultat un alliage à structure moléculaire meilleure, c'est à dire un alliage dans lequel aomine un grain très fin et serré dont la surface, dans la bande finie, est lisse et exempte d'imperfections tellesque ues irrégularités, des protubérances ou des bosses.
Ces résultats sont obtenus incontestablement grâce au fait que l'action exothermique a lieu a l'intérieur et entre la pièce ou bloc de matière d'alliage et le métal fendu du bain fondu, une quantité importante de
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chaleur est dégagée par,-cette action et le métal d'alliage est libéré par la pièce pour entrer dans le bain de métal fondu, dans lequel il se diffuse ou se dissout, en entraînant en même temps avec lui la majeure partie de la chaleur produite par cette réaction exothermique, grâce à quoi il contribue sensiblement à maintenir la température de l'alliage fini, de sorte qu'il peut être coulé et distribué.
Il¯est entendu en outre que dans la mise en oeuverde la présente invention, on envisage également l'emploi d'autres métaux que le chrome pour les alliages et que l'invention comprend et. tient en considération le .fait que plus d'un métal d'alliage peut être incorporé eux pièces ou blocs finis de matière d'alliage et qu'il en résulte que l'expression "minerai de métal d'alliage", utilisée dans ce mémoire, est employée dans un sens général.
Bien qu'on ait décrit le procédé perfectionné dans sa mise en oeuvre dans un four à foyer ouvert, on peut l'exécuter d'une façon satisfaisante dans un four électrique ou dans tout autre type ou genre de four fournissant de la chaleur pendant toute l'opération ; sans que de ce fait on¯ s'écarte de l'esprit de la présente invention telle qu'elle est spécifiée dans les revendications suivantes : REVENDICATIONS.
1.- Procédé pour la production d'alliages ferrugineux ou autres, caractérisé par la préparation d'une masse de métal fondu, la préparation de corps formés de métaux d'alliage contenus dans un minerai, l'inclusion d'un agent réducteur, la déshydratation et la dégazéification des corps précités et leur mise en contact avec la masse de métal fondu dans le but de former-l'alliage.
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alloy production process; ferruginous or other alloys.
The present invention relates to an improved process for alloying metals, particularly iron and steel, with other metals obtainable by reduction of their oxides. and more especially for the production of steels, high in alloy metal and negligible or low in carbon, as described in the specification which follows.
The invention mainly consists of a process for converting a bath of molten ferruginous metal into an alloy, in which an oxide of the alloy metal (metal
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to be incorporated into the alloy) and a suitable reducing agent, such as a metal silicide, both in a relatively large divided state are bonded together by a suitable alkaline earth hydroxide;
such as slaked lime, or by a solution of an alkaline earth chloride, such as magnesium chloride, and just enough water is added to form a plastic trap, the amount of this binding material employed being sufficient to bind these ingredients together and to partially transform into flow the silica formed by the reactions which occur in this mass. the quantity of alkaline earth hydroxide necessary to obtain this result and to maintain a sufficient density of the molded parts or blocks so that, when introduced into the baking chamber:
they can penetrate into the slag and come into direct contact with the surface in the molten ferruginous metal bath, generally varies between 10 and 12 parts per 100 parts of the mixture (ore and metal silicide), The plastic mass is kneaded in a suitable mill any and may be molded into relatively heavy pieces or blocks, weighing about 40 to 50 pounds or more, and they may be of any shape, size and weight for handling by oven servers.
These molded parts or blocks can, after they have been dried by air at room temperature (the drying can be accelerated by a current of air), be treated with a whitewash of milk of lime and, after they have been dried. are sufficiently dry, they are transferred to a suitable oven or oven where excess water or freely retained water is expelled.
they are then further heated to a relatively high temperature in this chamber or they are transferred for this purpose to a separate chamber, the aim being to drive out any water retained by the kneaded mass of alloying material and the alkaline earth hydroxide at a time,
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to air dry the parts; and also to drive off any carbon dioxide (CO2) that the lime may have absorbed before these parts are loaded into the kiln in order to produce the alloy.
The temperature of the latter heating exceeds 1650 F. or 900 C. It has been found, in the implementation of the invention for the actual production of special steel and the rolling of hot strip from the ingot, that a temperature exceeding 1650 F, has given satisfactory results in ridding * the pieces or blocks of alloying material of any combined water, formed by the chemical reaction during air drying of the kneaded mass of ore and lime .
In the course of the practice of the present invention and of observations made thereon, it has been found that the temperature interval for achieving this desirable result and for completely liberating these parts or blocks from gas is largely dependent on characteristics and material of alloy and alkaline earth hydroxide employed, which are constituents of molded parts or blocks and, for this reason, the temperature may vary from 700 to 1000 C.
The purpose of this final heating in the above temperature range is to drive out any remaining free water as well as the combined and colloidal water retained by. parts or blocks and. any carbon dioxide which they may have absorbed, so that, when the heated pieces or blocks are loaded into the furnace chamber, the bath of molten ferruginous metal does not absorb gas at the expense of these, that due of their density, their weight and their heat, these. pieces or blocks move.
slag and come into direct contact with the surface of the molten ferruginous metal bath and that when the reduced metal or metals are released from the pieces or blocks these metals transfer the heat developed by the exothermic reaction and pass directly into the bath
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metallic under the protection of the layer of slag which covers it, so as to thus substantially completely prevent the oxidation of the alloy metal or of the alloy metals and their passage don the slag.
By carrying out the invention according to these guidelines, it has been found, as an important feature, that the method, which involves the application of the invention, constitutes a simple, inexpensive and efficient means of alloying a bath of molten ferruginous metal with the alloy metal, for example chromium, because the ore of the alloy metal can be applied directly to the molten body or bath of the metal to be made into an alloy and because, thanks to the present invention, an ore of the alloy can be employed. A lower quality alloy (eg poor, an ore containing chromium) than was previously possible.
It has actually been found in practice that, according to the present invention, the alloying process can be carried out successfully by employing a lean chromium ore in which the chromium to iron ratio is 1.7 to 1. , i.e. an ore containing approximately 40% chromium sesquioxide, while in the past practice it has only been possible to successfully perform the alloying operation by employing a chromium ore. rich, more expensive, with a ratio of 3 to 3.5 chromium to 1 iron, ie an ore with an average chromium sesquioxide (Cr2O3) content of about 50%.
In carrying out the present invention, there is also an important consideration, that it can be applied without modifying existing installations which work either with basic open hearth ovens; either with basic electric furnaces, that at the end of the alloying period the molten metal bath is completely deoxidized and that it con-
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serves enough heat and fluidity to flow and distribute it.
In addition, when carrying out the alloying process according to the present invention, the ingots obtained are sound and can be forged well, and a pronounced and important characteristic in the fact that the ridges have been observed in strip rolling has been observed. of the band are exempt. breakage and jagged burrs, such as those which ordinarily occur and which must be removed as grape-shot, with the resulting losses. Usually, steels with a high chromium content are not produced in open hearth furnaces due to the strong oxidizing atmosphere of this furnace;
but, when one proceeds as explained in this memoir, one can produce such a steel- in these furnaces, and the direct loss by oxidation of chromium entering the alloy is much less, because the process uses chromium , less rich and cheaper, instead of the low carbon ferro-chromium, specially prepared and more expensive
It has also been found that the final product obtained according to the present invention has a finer and more dense grain and a smoother surface than, to the knowledge of the applicants, in any finished alloy produced by any current process or by practice. normal.
The following examples of the practice of the invention and its differences with certain well known conditions inherent in these practices highlight the progress constituting the contribution of the present invention to this industry.
With respect to these current practices, it is understood that when producing certain grades of iron and steel alloys containing low percentages of the alloying metals, one can add. those alloy metals to the state of ferroalloys which have been formed by reducing these metals from their
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oxides, in an electric furnace, by means of carbon in the presence of metallic iron or iron ore; but these ferro-alloys contain relatively high percentages of carbon.
Iron or steel containing a small percentage of chrism or other alloying metal and where the carbon content is not too severely restricted, can be produced by hearth furnace processes open, electric furnace or crucible, using ordinary ferroalloy with high carbon content as the alloying agent, and no unusual precautions are needed to avoid carbon absorption.
In the ordinary open hearth furnace process, the necessary amount of ferroalloy is added to the steel bath just early enough before casting to allow the ferroalloy to melt and mix effectively throughout the charge, otherwise , when using ferro-chromium, there is a loss of this metal because at the high temperature of the iron, chromium is able to reduce iron oxides, the chromium itself being oxidized and passing into the slag. In the electric furnace process, the addition of the ferroalloy can be done at any time, and in the crucible process, it is usually done initially, with the charge.
When a high percentage of alloying metals and a low carbon content are required, the use of these high carbon ferroalloys is prohibitive, and this is true mainly in the case of making alloys. of steel containing a high percentage of chromium and a carbon content limited to 0.1% at most.
Although the carbon content of these ferroalloys can generally be reduced by additional remelting and refining treatments, these additional treatments make the resulting low carbon ferroalloys very expensive. other methods have been proposed to produce / -)
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low carbon ferroalloy or carbon-free metals and alloys, but the products are extremely expensive. The well-known "Thermite" process produces, for example. metals and alloys free of carbon, by reduction by means of aluminum, without the aid of electric energy and, in some cases, in the absence of iron, but the high price of the product is oppoae in general use.
However, practically carbon-free ferro-silicon can be economically produced in an electric furnace, because iron and silicon combine with little affinity for the absorption of carbon by iron. product can be used.
usefully instead of aluminum, to produce alloys, low carbon, with steel
The manufacture of alloys, based on steel, containing a high percentage of alloy metal and a low percentage of carbon, such as, for example, chromium steels of the corrosion resistant type or of the resistant type heat and containing 12% or more chromium and, at most, 0.10% carbon, requires a very high degree of specialization in the practice of metallurgy.
Such steels are produced for the most part in a basic electric arc furnace by adding the ferro-chromium alloy to. low carbon, at intervals, in the metal bath and superheating that metal bath before each addition of the alloying agent. Like carbon should. not to exceed 0.10% should be used 1- * ferro-cement alloy, free. carbon or low carbon, which is expensive.
In this process, the usual practice is to melt a given amount of low sulfur, phosphorus-free scrap or a mixture of good quality carbon and cast iron scrap, decarburizing the metal bath to zero. , 04% / using a rich ore, to remove then the oxidizing slag accumulated throughout the melt; and to. replace it with
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fresh slag made from lime, fluorspar and ferro-silicon.
When this slag is melted; we do; at intervals, additions of ferr o-chromium, or other alloys, by superheating the bath before each addition.
This practice generally results in about 90-95% recovery of the alloying metals added, but it is only possible in an electric furnace while maintaining a non-oxidizing environment during the alloy housing additions.
As a result, this method is expensive when electric power is expensive.
Another prior method for the reduction of low carbon chromium steels comprises the addition of relatively inexpensive chromium in the chromite state with ferrosilicon as a reducing agent. In this process, after the metal bath has been decarburized in the usual manner, new slag is produced on the surface of the bath, and the successive additions of pulverized chromite and pulverized ferro-silicon are made by throwing these substances on the surface. surface of the slag where they float there and there and mix with the molten slag.
In this process, the reduction by ferrp = silicum is carried out at the slag surface, where there is a strong tendency for oxidation, and the reduced chromium must pass to slag in the metal bath. great precautions to avoid losses of alloy metal when the necessary scouring is carried out;
the reduction takes place slowly so that the heating is very prolonged and the resulting slag contains an appreciable amount of metal
Because of the strongly oxidizing medium which exists in the usual open hearth furnace, the preceding processes for obtaining a steel or other alloy rich in chromium and low in carbon are necessarily limited to working with furnaces. electric.
In addition to the cost of electrical energy, the use of
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Electric furnaces lead to further disadvantages in that poor control of the electrode and the likelihood of detachment of carbon or graphite fragments from the electrodes can spoil the charge of heated metal, by increasing the carbon content.
The present invention aims to: provide an improved economical and efficient process for producing iron or steel alloys containing a high percentage of alloy metal and having a low carbon content; to provide a novel process for producing steel, rich in alloy metal and poor in carbon, which can be carried out satisfactorily either in an open hearth furnace or in an electric furnace; to provide an improved and rapid process for producing high chromium or other alloying metal low carbon steel using materials. inexpensive alloying and reduction; to provide an improved process for producing grade steels. high in alloyed metals and low in carbon;
process in which the reactions between alloying metals and. Reducing materials are exothermic, so as to avoid overheating the metal bath when these materials are. added; to provide an improved process in which the exothermic reactions between the materials employed are utilized completely to keep the metal bath hot and fluid;
to provide an improved process in which the alloying and reducing materials are kept in intimate contact during reduction, so as to give a higher yield to the alloying metal and, in general, to provide an improved process for producing steels of high chromium or other alloying metals and of low carbon content, process in which the alloying and reducing materials are kept in contact with the surface of the metal bath, below the slag , during the reduction, so as to accelerate it and to prevent the oxidation of the metal damage and its passage through
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the milkman.
These and other objects are achieved by the improvements constituting the present invention which may be set forth, in generous terms, as comprising a process for the production of an alloy or a steel and / or the like. metals capable of alloying, including the operation of adding, to the metal bath, relatively heavy molded blocks containing one or more oxides of the alloying metal and a metal silicide, these blocks being capable of penetrate the slag and come into direct contact with the surface of the molten metal of the bath.
For the process, which will now be described and which has been successfully implemented in industry, the basic open hearth furnace can be employed with advantage for high chromium and low carbon steels without loss. a greater excess of chromium than that which occurs when producing the same grade of steel in the basic electric arc furnace, because the reduction of chromite by ferro-silicon takes place above the slag surface, in intimate contact with the surface of the molten metal. a preferred procedure is as follows:
Chromium or chromite and ferro-silicon ore are crushed, preferably at a sieve size of 60 mesh per linear inch (568 mesh per cm 2), in the correct proportions to effect the reduction of chromium and carbon oxides. iron according to the following chemical reactions: 2 Cr2O3 + 3 Si = 4 Cr + 3 Sio2 Sesquioxide + Silicium = Chromium + Silica. of chromium 2 FeO + si = 2 Fe + Sio2 oxide + Silicon = Iron + Silica. ferrous flax can employ a slight excess of chromite to prevent the silicon from remaining unoxidized in any quantity and
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to ally with reduced metal.
To these ingredients, slaked lime or hydrate of lime (CaH2O2) is added, preferably to the pulverized state, in an amount sufficient to combine with the sili.ce generated by the above-mentioned reactions, to form, with some of this silica, a flux and to bind these ingredients together.
They are then thoroughly mixed with each other, after which just enough water is added to produce a plastic mass suitable for molding, this trap being preferably well kneaded in any suitable mill. The kneaded mass is then preferably molded into blocks or pieces of shape and size suitable for their handling by the workers serving the. oven, and they may consist of 8 "x 10" x 6 "blocks of forty to fifty English pounds.
When the molded parts or blocks feel brought on the. surface of the metal bath, because their density and / or their weight is higher than that of the slag covering the bath, they displace this slag and come into direct contact with the surface of the split metal lying under the layer of slag.
Although it is preferable to use ferro-silicon because of its low cost, and the ease of obtaining it, other silicides can be used, if desired.
The molded parts are first allowed to dry at room temperature for about 24 hours, or this drying can be accelerated by means of a stream of air, when they are intended for use in an oven. open hearth, they are preferably treated by spraying them or otherwise with a whitewash of milk of lime. Then, after they have dried sufficiently, they are preferably transferred to a suitable drying oven or oven, where excess free water is removed.
They can then either be heated in this chamber or transferred to a separate heating chamber.
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that we bring to a temperature above 1600 F, Practical operations have shown that this heating is necessary to drive out the combined water or the colloidal water formed by the chemical reaction during the air drying of the ore mass and lime and thereby to prevent the bath from absorbing gases.
The molded and heated parts can then be removed, depending on the requirements of the heating chamber and, while they are hot, they are ready to be loaded directly into the melting furnace containing the metal bath, for s' combine with calui-this,
The usual procedure can be followed to prepare the molten metal bath in an open hearth furnace and the oxidizing slag formed during the melting phase is removed, after which a new slag of spar flour, lime and of ferro-silicon. The additions of the alloy metal are then made by bringing the molded pieces or blocks onto the metal bath, as it has been.
The usual need to superheat the metal bath with each addition is avoided, because the chemical reactions which take place at the surface of the resulting metal bath, and between chromite and ferro-silicon, are exothermic, and the heat thus released is transferred to the metal bath and keeps it hot and fluid. At the end of the alloy formation period, the bath is hot and "calmed" enough to heat it up and distribute it into pools where the metal remains perfectly still. The word "calmed" applied to steel means that the steel is sufficiently deoxidized so that it remains quiet in the molds.
The molded parts or blocks have the important advantage that they harden during their storage and that they do not crumble or disintegrate when they are projected onto the metal bath at the temperature of the melting furnace of the machine. at-
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Further, no matter how the pieces or blocks for the alloy are thrown into the molten bath, they will always straighten out, so that they always float with their larger or heavier side directed toward them. the bottom, in direct contact with the surface of the metal bath.
Because the density and weight of this compact material which constitutes the relatively heavy castings is greater than that of molten lath, it will pass through or move the slag rapidly. and will come into direct contact with the surface of the metal bath.
Through contact, parts. cast with the surface of the metal bath and in intimate contact between the chromite and ferro-silicon molded together in the castings, the reduction rapidly progresses below the slag in contact with the surface of the metal bath and, as as the alloying metals are released by the reactions, the castings gradually decrease in size, the reduced metals passing directly into the molten bath and carrying with them heat. As a result, a considerable yield or recovery of the alloying metals is achieved, because almost nothing of these metals is oxidized and has passed into the slag.
The improved process allows, when not applied to the manufacture of chromium steel, to produce steel which. contains 12-14% chromium or more and the carbon content does not exceed 0.1%. Since chromite is much cheaper than low carbon ferro-chromium, and low carbon ferro-silicon can be economically produced, the alloying and reducing materials employed are relatively inexpensive.
Further, by the present improved process, special steels having a high percentage of alloying metals, low in carbon content, with considerable saving in time, saving in cost of materials, can be produced. materials and labor, and a gain in salvage or yield; @
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Well. The application of the improved process to the production of high-chromium and low-carbon steel has been described in the foregoing, this process is also applicable to the production of iron-like alloys and steel with many other alloying metals, such as tungsten and vanadium.
The improved process is also applicable to the production of steel alloys with higher carbon content and lower content of alloy metals.
The above shows that one of the essential features of the present invention is that in the "piece" or block of material for the alloy, the alloying and reducing materials are kept in such a compact state that all the particles of these materials are in intimate contact. As a result, the exothermic reactions are fully utilized during the reduction period; in other words, the heat given off by these reactions is transported and distributed throughout the entire bath of molten metal.
This ensures that the casting of the alloy takes place with it in a deoxidized and homogeneous state, which reduces to a very great extent the losses generally due to the defects of the surface and the edges. In addition, the method using the pieces or blocks of alloying materials made in accordance with the present invention result in an alloy with a better molecular structure, that is to say an alloy in which a very fine and tight grain is formed, the surface of which, in the finished strip, is smooth and free from imperfections such as irregularities, protrusions or dents.
These results are undoubtedly obtained thanks to the fact that the exothermic action takes place inside and between the piece or block of alloying material and the split metal of the molten bath, a significant amount of
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heat is given off by, -this action and the alloy metal is released from the workpiece to enter the molten metal bath, in which it diffuses or dissolves, at the same time carrying with it most of the heat produced by this exothermic reaction, whereby it contributes significantly to maintaining the temperature of the finished alloy, so that it can be cast and distributed.
It is further understood that in carrying out the present invention, it is also contemplated the use of metals other than chromium for the alloys and that the invention comprises and. takes into consideration the fact that more than one alloying metal may be incorporated into these finished pieces or blocks of alloying material and as a result the term "alloy metal ore" as used herein memory, is used in a general sense.
Although the improved process has been described in its operation in an open hearth furnace, it can be carried out satisfactorily in an electric furnace or in any other type or kind of furnace providing heat throughout. the operation; without thereby departing from the spirit of the present invention as specified in the following claims: CLAIMS.
1.- Process for the production of ferruginous or other alloys, characterized by the preparation of a mass of molten metal, the preparation of bodies formed of alloying metals contained in an ore, the inclusion of a reducing agent, dehydration and degassing of the aforementioned bodies and their contact with the mass of molten metal in order to form the alloy.