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"Perfectionnements relatifs à la provocation d'acier ".
Cette invention se rapporte à la production d'acier par réduction directe d'oxydes de fer.
Il est bien connu qu'un métal produit uniquement à partir de minerai n'est pas un bon métal et qu'une bonne qualité du produit fini suppose la présence parmi les matières premières de fer en gueuse ou de métal en mitraille. Cette néeessité d'introduire un métal déjà manufacturé dans les matériaux de fabrication de l'acier rend la méthode alumino-thermque de réduction théoriquement attrayante.
Il est aussi connu que quand de l'aluminium et de l'oxyde de fer réagissent ensemble la température obtenue est suffisam- ment élevée pour fondre une masse considérable de métal dans l'addition du fer dans le minerai. Néanmoins, la production d'acier par cette méthode n'a pas eu d'usage commercial, les raisons étant que jusqu' présent la réaction a été difficile à contrôler, les résultats ont été incertains et incompatibles et l'acier résultant contenant généralement une grande propor- tion d'impuretés, en particulier de l'aluminium et du silicium.
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La première invention des procédés alumino-thermiques utilisait comme réactif de l'aluminium pur sous forme de poudre.
Ceci rendait le procede à la fois dangereux et trop coûteux pour un usage commercial général dans la production de l'acier etant donné que l'aluminium en poudre rend la réaction explosive et que l'aluminium pur est économiquement hors de question sauf pour la production des métaux rares. On a proposé plus récemment dans la production d'acier de réduire la fois le coût et le risque en employant des particules grossiérement granulées d'alliage d'aluminium commercial bon marché, mais ceci ne constitue pas une solution complète car la réaction est plus difficile .
mettre en train et si l'aluminium et l'oxyde sont mélangés dans leurs proportions correctes elle peut s'arrêter avant qu'elle ne soit complète parce que des éléments légers et lourds du mélange sont plus cu moins séparés l'un de l'autre par un mélange incomplet ou dans un traitement subséquent. Même si un mélange de particules grossières et fines d'alliage d'aluminium est employé comme réactif les résultats ne sont pas satisfaisants parce que les fines tendent à se séparer et peuvent former des pièces explosives dans le mélange, tandis que la réaction est sujette à s'arrêter dans les autres surfaces à partir desquelles les fines ont été séparées, à moins que la quantité de grosses particules ne soit inacceptablement élevée.
Suivant l'invention on emploie une quantite d'aluminium ou d'autre réactif qui n'est pas en substance plus élevée que la quantité théoriquement requise pour reduire l'oxyde de fer et qui, en pratique, pourrait être insuffisante pour réduire tout l'oxyde. Par ce moyen, la quantité de réactif dans l'acier est réduite, mais le risque d'arrêter la réaction est augmenta
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en particulier si le réactif est présent sous forme de parti- cules grossières ou s'il est séparé au lieu d'être uniformément distribué à travers la charge.
Le risque est éliminé en aidant et maintenant la réaction au moyen d'une réaction guide entre une partie du réactif et un matériau supplémentaire avec lequel le réactif réagit à une température substantiellement inférieure qu'avec l'oxyde de fer,
Dans les procédés exothermiques, la réaction est normale. ment mise en train seulement en un point, à. partir duquel elle progresse vers l'extérieur à travers le mélange. Quand le matériau supplémentaire est inclus dans le mélange, il n'y a aucune difficulté à mettre un train une réaction initiale entre une partie du matériau supplémentaire et une partie de l'alumi- nium et qui porte le mélange environnant 1 une température élevée et met en train la réaction principale,.
Comme la réaction principale s'étend. la réaction subsidiaire progresse avant elle et l'aide d'une façon semblable dans sa propagation, dans toutes les parties du mélange, la chaleur intense engendrée par la réaction secondaire dégageant de l'oxygène de l'oxyde de fer et le mettant en contact plus intime avec le réactif principal de façon telle qu'il n'y a pas de risque d'arrêter la réaction même si les matériaux de la charge sont légèrement séparés.
Cependant, ceci, alors qu'on assure une réaction bonne et complète, et une production d'acier libre en substance d'alu- minium cu d'autre réactif n'assure pas necesssiremen, par suite d'autres motifs, de bonne qualité au produite Dans une réaction simple entre de l'oxyde de fer et l'un au l'autre des réactifs usuels Qn forma une scarie par la gangue au les impure- tés dans les métaux qui est trop visqueuse pour produire sa séparation complète dans le temps limité disponible entre la
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fin de la reaction et le début de la coulée. Ceci produit des inclusions de scorie dans le métal et une diminution du rende- ment par suite des inclusions métalliques dans la scorie.
De plus la scorie a un point de fusion eleve qui produit une teneur élevée en silicium dans l'acier, par suite probablement de la transformation en silicium par les hautes températures engendrées de la silice, toujours présente.. On trouve que si le point de fusion de la scorie est abaisse jusqu'à environ 1800 C ou au moine jusqu'à une température ne dépassant pas en substance 1850*C et si sa fluidité est augmentée substantielle- ment par addition d'une scorie artificielle de façon à permettre une separation très rapide de la scorie du métal, il est possible de produire de l'acier en substance libre de scorie ou d'autres inclusions et ayant une faible teneur en silicium.
Pour rendre possible l'emploi comme réactif d'un alliage commercial d'aluminium il est egalement nécessaire d'assurer le passage dans la scorie des constituants non désirables de l'alliage particulièrement le cuivre et qui ne sont pas volati- lisés par la haute température de la réaction'
On trouve qu'on peut atteindre tous ces buts par un choix convenable des matériaux employés pour former la scorie arti- ficielle et pour produire la réaction supplémentaire mentionnée.
Les matières que l'on préfère employer et que l'on incor- pore dans le mélange réagissant sont les suivantes : 1. La chaux pour former une scorie artificielle et pour éliminer le phosphore. Elle retarde aussi la vitesse de propagation de la réaction et aide ainsi à effectuer le contrôle de la réaction* 2. Le fluorure de calcium pour agir comme fondant pour liquafier la scorie.
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3. Le carb9onate de sodium pour augmenter la fluidité de la scorie et aussi pour faire passer la silice du métal dans la scorie.
4. Le nitrate, chlorate ou perchlorate de potassium ou de sodium pour produire la réaction supplémentaire au réaction guide, les produits de décomposition ayant les effets additionnels de liquéfier ultérieurement la scorie, d'abaisser son point de fusion et de se combiner avec le au,ivre dans l'alliage d'aluminium et de le transporter dans la scorie..
L'effet total d'une combinaison de ces matières en proportions convenables est la création d'une réaction très complète en dépit de la quantité réduite de réactif et la production d'une scorie très fluide à bas point de fusion qui n'a aucuns difficulté de s'élever avec grande rapidité à la surface du métal fondu de façol telle qu'il y a une séparation claire entre le métal et a scorie daisle court espace de temps disponible avant que le métal soit coulé, c'est-à-dire, versé hors du récipient réagissant.
On comprendra que si l'on fait un moulage de faible section ou un lingot, le métal doit, quand il est versé dans le moule dans lequel il se solidifie, être à une température suffisamment élevée pour assurer une fluidité suffisante pour atteindre toutes les parties du moule et que dans un procédé de l'espèce en question le métal tend à se solidifier rapidement, vu qu'il n'y a pas de source exté- rieure de chaleur, pour maintenir la température- Le temps disponible varie naturellement avec les circonstances* Pour un mélange donné le temps disponible sera plus élevé lors des fusions importantes que lors des petites fusiQns,
parce qu'il sera raccourci par l'une ou l'autre diminution de la température de fusion dans des cas où la température est maintenue faible
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par la fusion d'une grande quantité de métal sous forme de ferraille. Il sera aussi plus court pour des aciers à faible teneur en carbone que pour des aciers à forte teneur à la même température. On doit aussi concevoir que durant cet intervalle de temps un procédé de raffinage final peut être requis. La fluidité et la séparation rapide de la scorie sont donc de préfère importance. Suivant l'invention il est possible d'agir pour avoir une séparation de scorie très rapide.
En ce qui concerne les quantités des matières ci-dessus devant être utilisées il n'existe pas de règles fixes ni bien définies étant donné qu'elles dépendent de la nature et de la quantité de la gangue dans le minerai et des impuretés dans le réactif. La chaux peut varier de 1% jusqu'à 1 % du poids du minerai: le fluorure calcique peut être égal à deux à cinq fois le poids de la chaux et le carbonate sodique peut varier de 2,5 % à 10% du minerai.
La quantité de chlorate ou de perchlorate de potassium ou de sodium, lorsqu'on utilise des minerais à forte teneur, est de environ 4% à 5% en poids du résctif, mais si l'on emploie des minerais inférieurs elle peut être égale à 10% et avec des minerais concentrés desquels la gangue a ete éliminée elle peut être comprise entre 1% et 5%. Si l'on emploie du nitrate potassique ou sodique une légère augmentation sera requise (environ 10% en plus). Dans tous les cas la proportion convenable de toutes ces matières est déterminée de la meilleure façon par une experience à faible échelle et les quantités obtenues de cette façon ne seront considérées que comme indications.
On sait que l'on a déjà. propasé l'emploi de nitrate de potassium ou de sodium comme agents d'oxydation dans des procédés alumina-thermiques mais seulement en combinaison, avec
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une quantité d'aluminium beaucoup plus considérable que la proportion théoriquement correcte, tandis qu'on a proposé d'employer le nitrate lui-même en quantités (15% à 25% en poids de l'aluminium) qui sont beaucoup trop élevées. Utilisé dans ces proportions avec un excès d'aluminium il se produit une réaotion violente et parfois dangereuse avec développement de très hautes températures et le métal, résultant est loin d'être pur.
Dans le procédé suivant l'invention, d'un autre côte on ne dépasse pas normalement la quantité théorique d'aluminium et la quantité de matière supplémentaire que l'on emploie pour réagir avec une partie du réactif est seulement suffisante pour maintenir une réaction régulière à travers le mélange entier.
La quantité d'aluminium est importante. Si l'on emploie trop d'aluminium, l'acier résultant a une teneur excessive en aluminium, ON a trouvé que la meilleure quantité dépend de la nature du minerai de fer ou de 1!oxyde et sera donc déterminée expérimentalement pour un minerai ou oxyde donné, mais quand on utilise un:
minerai Fe3O4 elle ne dépasse jamais en substance la quantité théorique requise pour la réaction entre l'oxygène du minerai au de l'oxyde et l'aluminium et elle peut être notablement moindre pour l'oxyde fe2O3 La raison en est que avec le minerai Fe2O3 plus exothermique, si l'on utilise la quantité théorique exacte de réactif, la réaction est trop rapide et violente de sorte qu'on peut perdre le contrôle de la réaction. En employant une quantité diminuée de réactif et une petite quantité d'un matériau supplémentaire on garde le contrôle de la réaotion, tandis que l'excès d'oxyde a un effet utile sur la liquéfaction de la scorie, et les teneurs en silicium et en aluminium sont mainatenues faibles.
En même temps
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l'une ou l'autre perte de metal se produisant par l'oxyde qui n'a pas reagi est plus que compensa par la température élevée atteinte (c'est-à-dire plus élevée que dans le cas du minerai
Fe3O4) qui permet de fondre beaucoup plus d'acier en mitraille au d'autre métal. Le rendement total en acier par unité de poids de .minerais au de réactif est donc plus éleve avec FE2O3 qu'avec FE3O4.
On préfère employer l'alliage commercial d'aluminium ayant généralement au moins de 90% dé pureté, le reste étant du cuivre, du zinc, du nickel, etc.. quoiqu'il n'y aurait pas d'étain présent et un fart pourcentage de silicium n'est pas, en général, desirable à moins que l'on ait en vue un acier a. carbone élevé. Si cependant, On utilise un alliage de silicium et si on trouve qu'il produit une proportion élevée non souhaitable de silicium dans l'acier, le silicium en excès peut être diminué pendant l'opération par la méthode décrite dans la demande n 4486/41.
On trouve que les déchets du tournage ou du forage des alliages aluminium-cuivre tels que ceux connue sous la marque déposée "Duralumin" sont très convenables et ils sont de préférence pulvérise jusqu'à une grandeur d'environ 30 à 60 mesh . Une plus grande finesse de l'aluminium n'est pas désirable par suite du danger d'explosion, et la poussière d'aluminium si elle se trouvait en quantité considérable serait éliminée. Le calcul de la quantité requise doit naturellement être basée sur la teneur en aluminium pur de l'alliage.
Quoiqu'on préfère employer de l'alliage d'aluminium par suite de sa commodité et de son bon marcha Qn peut suivant l'invention utiliser l'un ou l'autre réactif convenable tel que l'aluminium-calcium. l'aluminium-silicium le calcium-
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silicium etc., et quoique dans la description suivante de l'Opération suivant l'invention on se reporte seulement à un alliage d'aluminium, on doit aussi comprendre que l'invention n'est pas limitée d'une telle manière.
L'explication donnée ci-dessus se rapportant à l'usage de l'alliage d'aluminium a nécessairement en vue le problème posé par les impuretés qu'il contient. On comprendrait aussi que quoique le nitrate potassique ou le produit semblable soit particulièrement utile pour effectuer l'élimination de ces impuretés on emploie ces sels de métaux alcalins pour produire une réaction guide sans considérer le réactif utilizé comme an produit par cela. une bonne réaction avec une quantité réduite de réactif et une séparation rapide d'une scorie à faible point de fusiun.
Quand marne que l'on utilise une quantité de réactif qui pourrait être insuffisante par elle-même pour assurer la réduction de tout l'oxyde et même si l'on emploie une partie de celle-ci pour réagir avec le nitrate potassique etc., la réaction, en l'absence de métal en mitraille, est très violente et la température engendrée est très élevée. On contrôle donc la violence de la réaction et an abaisse la température en ajoutant au mélange un volume de métal additionnel, qui peut être de l'acier en mitraille d'analyse convenable, ou d'autres métaux ou ferro-alliages requis dans l'acier.
Comme les matières froides introduites dans le mélange produisent le bouillonnement du métal fondu et que l'eau amène des explosions par la forma- tion rapide de vapaur. toutes les matières doivent être com- plètement sèches et sont de préférence utiliséeschaudes.
Etant donné que le succès du procédé dépend, entre autre de l'emploi de matières de composition connue, on doit con- seiller d'utiliser des minerais naturels, comme de telles
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matières sont loin d'être homogènes et leur composition chimique peut varier largement dans une bande tout à fait étroite. Les minerais de fer les plus convenables pour l'emploi sont grossiè- rement divisés en deux groupes (1) les minerais Fa3O4 ferrosa- ferriques ou magnétiques et (2) les minerais Fe2O3 oxyde ferrique et naturellement on choisira dans chaque groupe un. minerai avec- le pourcentage le plus !;:levé en Fe et le pourcen- tage le plus faible en impuretés non désirables.
Cependant une matière contenant un pourcentage elevé de Fe3O4 est tout fait convenable pour l'usage dans le procédé peut être produite à partir d'un matériau en mitraille pour lequel il y a normale- ment très peu d'usages, c'est-à-dire le résidu sous forme de mitraille des plaques d'acier minces employées par les constructeurs de voiture et les plaques semblables ou encore plus minces employées dans la manufacture de plaques en fer blanc. Cette matière est très vo lumineuse et le coût. pour la réduire à une forme sous laquelle elle peut être refondue par des méthodes normales est prohibitif.
On a trouvé cependant , que cette matière peut être convertie pour l'usage dans ce procède en la chauffant à une température de 100 à 1200 C pendant vingt minutes à, deux heures dans une atmosphère oxydante la duree dépendant de l'épaisseur de la matière et de l'epaisseur de la couche traitée. Le produit de ce traitement aura une teneur de 90 à 95% de Fe3O4. qui est approximativement la même que la composition du minorai magnétique naturel. Le chauffage diminue aussi très fortement le volume de la matière et généralement le produit est sous la forme sous laquelle il peut être employé dans le procédé après avoir seulement ete légèrement broyé.
On doit conseiller cependant, de la faire passer à travers un séparateur magnétique après le broyage pour
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éliminer les impuretés, et particulièrement la silice,
En réalisant l'invention, il est convenable de préparer la matière supplémentaire en faisant un mélange de stock selon les proportions suivantes :
Chlorate potassique 15 à 20 livres
Chaux calcinée 13 à 15 livres
Fluorure de calcium 5 à 6 1/2 livres
Ce mélange de référenae sera représenté par A. Le chlorate potassique peut être remplacé par une quantité égale de perchlorate potassique ou de chlorate ou perchlorate sodique, ou on peut employer du nitrate potassique ou du nitrate sodique mais alors la quantité doit être accrue de environ 10%.,
La chaux et le fluorure de calcium sont introduits dans le mélange A pour être en rapport avec les problèmes se posant par l'usage de la matière supplémentaire mais comme ils sont déjà inclus dans le mélange principal leurs quantités ne sont pas eriti- quables aussi longtemps que la teneur en chaux est moindre que le chlorate et celle en fluorure calcique moindre que celle en chaure Le plus de chaos- est employée, la plus lente sera la réaction le plus de fondant est ajouté, le plus liquide sera la scorie; mais la quantité dans chaque cas ne serait pas suffisamment grande pour endommager les revêtements réfrae- taires des creusets et des puisoirs. -
Le minerai peut être réduit à une grosseur de 30 à 100 mesh ou à une grosseur moindre.
Tous les produits de la charge doivent être complètement sec et peuvent être mélangés tandis qu'ils sont chauds, ou chauffés après mélange, pourvu que dans ce cas, si on dépasse une température de 250 C. la matière supplénebntaire ne soit pas comprise dans le mélange, étant ajoutée au mélange juste avant l'emploi,
Le métal produit par la réaotion d'un oxyde en présence
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d'air est ordinairement plus ou moins oxydé, de sorte qu'un agent de désoxydation peut être avantageusement ajouté. Le manganèse est particulièrement convenable, étant donne qu'il est aussi un bon agent de désulfuration. Naturellement, si on désire du manganèse dans le métal final, la quantité utilisée sera calculée pour produire à la fois la teneur en désoxydant et la teneur requise en manganèse.
Un mélange caractéristique, obtenu en employant un bon minerai magnétique (teneur prépondérante en Fe2O4) est le suivant : Minerai magnétique (environ 96% Fe3O4) 165 kilogs Aluminium gnet pur) 53 "
Carbonate sodique 4,5 "
Chaux 1,5 " Fluorure calcique 6 " Fe rro-manganè se (90-93% Mu) 2 "
Mélange A 3 "
Mitraille d'acier doux 110 "
Le mélange, sans la mitraille ajoutée, se rapportera à 100 à 115 kilogs, d'acier doux à une température pas nécessaire- ment élevéeet On trouve possible d'utiliser la chaleur en excès pour fondre de 80 à 120 kilogs de métal en mitraille.
Si la teneur en carbone du produit est trop faible elle peut facilement être augmentée en substituant à. une partie de l'acier en mitraille une quantité calculée de fer en gueuse prechauffe ; de l'hématite ou de la fonte de composition conve- nable, et l'un ou l'autre des éléments d'alliage requis, tels que du chrome, du nickel ou du vanadium, peut être facilement ajouta soit sous la forme de metaux purs soit scus la forme de ferro-alliages ou marre sous forme d'oxydes, la quantité d'aluminium dans le mélange étant augmentée dans le dernier cas pour produire le réactif nécessaire.Les eléments constitstifs d'alliage peuvent aussi être intrcduits comme constituant du métal en mitraille.
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Quand on fond de petites quantités de mélange pour l'expérimentation le procédé entier peut être aisément exécuté dans un puisoir dont la capacité n'est pas inférieure à une capacité supérieure de 25% au volume du mélange, mais pour de plus grandes quantités on profère réduire les oxydes dans un creuset mini d'une sortie dans le fond par laquelle le métal est versé dans un puisoir pour le raffinage ultérieur, ou pour des quantités encore plus grandes on emploie un poisoir à revêtement analogue à un four électrique.,
Pour charger un creuset, une petite partie, par exemple un quart, du mélange est placée au fond du creuset:
dessus on y met le manganèse et l'une ou l'autre des parties de a mitraille qui sont trop grandes pour s'introduire dans le mélange, et on ajoute aussi les ferra-alliages. Le reste de mélange est alors verse sur le tout et on le fait entrer pour remplir les interstices entre les gras morceaux de mitraille.
Au centre du scilnmet de la charge on place une petite quantité d'un produit consistant en un mélange 3 : 1 de minerai pulvérisé ( OU passé au moulin et de l'aluminium. et au centre de ce produit on place alars une très petite quantité de poudre inflammable composée, de parties égales d'aluminium, de poudre de magnésium etde bioxyde de baryum
La réaction dans le creuset est alors mise en train en mettant le feu à la poudre inflammable au moyen d'une allumette eu d'une étincelle electrique ou en la touchant avec une barre chauffée au rouge.
La réaction se poursuit alcrarapidement et d'une façon égaie, émettant une dense fumée grise. un capuchon conduisant à. un carneau peut être adapté d'une manière ajustable sur le creuset de façon à être amené tout près du sommet du creuset dès que la réaction commence.
Il sert au
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double put de guider la fumée dans le carneau et de ramener dans le creuset l'une ou l'autre des particules d'aluminium au d'oxyde non réduit qui peuvent être dissipées par la réaction
Dès que la réaction a cessé on fait une pause pour per- mettre à tous les produits de fondre et la scorie de s'élever à la surface et l'acier fondu provenant de la charge s'écoule à partir du fond du creuset dans un puisoir qui est enlevé dès que la scorie apparaît, la scorie coulant dans une fosse se trouvant sous le creusets
Si même on considère un cas nécessitant l'emploi de la quantité optimum d'aluminium, l'acier peut contenir de l'aluminium, avec une certaine quantité d'alumine et parfois un excès de silicium.
Dana le but d'éliminer ces impuretés on paut placer une petite charge réactive dans le puisoir avant que l'acier ne soit versé dans celui-ci. cette charge consistant en oxyde mélange avec une quantité d'aluminium insuffisante pour réduire l'oxyde s'il est enflamma (par exemple un sixième du poids de minerai). Cette faible charge est enflammée par l'acier fondu et une légère réaction est établie dans le puisoir. Celle-ci garde le métal chaud et en agitation tandis que l'excès d'oxyde deposé dans le puisair, étant ahauffé à une temperture à laquelle une réaction silico-thermique peut débuter, se combine partiellement avec le silicium non désirable et partiellement ahec l'aluminium résiduel du métal..
Ces réactions sont favorisées par l'agitation établie dans le métal du puisoir qui aide à assurer intimement à l'aluminium et au silicium dispersé dans le produit fondu l'oxyde, qui n'a pas reagi.
Quand cette réaction dans le puisair ralentit l'acier est encore toujours trop chaud pour être coulé. Il peut aussi
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contenir une certaine quantité de scorie finement divisée, de l'alumine, du 'sulfure, de la silice et desgaz occlus et il est probablement légèrement oxyde.Un bon raffinage ultérieur rapide est donc nécessaire. La scorie qui s'est formée est éliminée et un petit paquet contenant une charge de raffinage est lancé dans le puisair. Le mélange appelé "mélange B", constituant une charge convenable de raffinage est compose comme suit :
Silico-calcium o,42 kilogs
Carbonate sadique 0,54 "
Ferro-titane et,15 " ces produits etant tous sous forme de poudre.
Une réaction ultérieure rapide suit et produit une forte.. agitation du métal. Celle-ci amène à la surface une scorie très liquide que l'on trouvera contenir pratiquement toute l'alumine toute la silice et tout le sulfure non désirés. La scorie est eaumée et on trouvera alors que l'acier est complètement inette, propre, désoxydé et prêt à être versé, bïen qu'il pu: se encore être trop chaud auquel cas on le laisse refroidir. Dans le mélange B, le titane, qui est un agent dégaz6fiant peutêtre introduit sous forme d'ilménite, ou de titane métallique ou d'oxyde ou de sel de titane ou sous forme de ferro-titane.
Si les moules dans lesquels le mé tal est versé sont aonvenables, au lieu de mettre le mélange B en entier dans le puisoir on peut ajouter seulement une partie, par exemple la moitié, au métal et le reste peut être placé dans les moules,
Quand le metal est finalement versé dans les moules il est encore raffiné et purifié par le mélange B et la silice provenant du sable de moules et qu'il pourrait reprendre, remontera l'état de scorie dans les relèvements.
Une autre méthode utile d'utilisation du mélange B est
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d'éviter la formation dans les produits coulés de cavités dues au retrait. Si un peu du mélange est placé sur les chenaux et risers comme ceux-ci sont voisins du point de solidification, le métal dans les cheraux et risers est réchauffe de sorte qu'il peut s'écouler pour remplir l'une ou l'autre des cavités qui peuvent être formées dans les produits coulés.
Si, avant de raffiper comme ci-dessus, on remarque Une émission d'étincelles rouges provenant du métal et indiquant la présence d'oxygène l'acier peut être désoxydé par addition dans le puisoir, en marne temps que le melange B, de 50 grammes d'aluminium pur en morceaux ou sous forme de bâtons. Celui-ci fond immédiatemet à la surface de l'acier et se melange à celui-ci par une agitation immédiate et vigoureuse.
Le rendement de la fusion décrite si-dessus est d'environ
220 kilogs d'acier doux.
En traitant un minerai du groupe Fe2O3 le mélange doit naturellement être nodifie, mais le processus général est le même. Dans ce cas, comme expliqué ci-dessus, on trouve par expérience pratique qu'il est préférable d'employer une quantité d'aluminium moindre que la quantité théoriquement exacte d'aluminium-
Un mélange, que l'on a utilisé avec succès pour la pro- duction d'acier doux à partir d'un minerai qui contient, d'une façon prédominante du Fe2O3, est constitué selon les proportions suivantes ;
Muerai (96 1/2% Fe2o3) 160 kilogs Aluminium 94% pur) 49 "
Carbonate sodique @ 6 "
Chaux 1,5 "
Fluorure calcique 3 "
Ferre-manganèse (90-93% Mn) 2,5 "
Mélange C 2,5 "
Mitraille d'acier doux 140 "
Le mélange C auquel on fait allusion est le matériau
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supplémentaire combina avec divers produits du mélange A.
Le mélange 0 est un mélange d'approvisionnement constitué comme suit :
Nitrate potassique au sodique 40 kilogs
Carbonate de soude 1,5 "
Dmenite en poudre 1,5 "
Titane en poudre 2 " Mnerai de manganèse en poudre (MnO2) 2. "
Quand la fusion est totale, la charge peut être refroidie légèrement et alors on la verse dans un puisoir et on peut ajouter, selon les exigences, de l'aluminium pur comme désoxy- dant et une charge de raffinage.Une charge convenable de raffinage est composée de :
Silico-calcium 120 grammes
Carbonate sadique 120 "
Ilménite ou ferro-titane 40 "
Le rendement de cette fusion est d'environ 220 kilogs d'acier doux.
La comparaison des deux mélanges montre que pour une quantité donnée de minerai ou de réactif, on peut employer, par suite de sa plus grande exothermie, le mélange Fe2 O3 pour fondre un pourcentage élevé de mitraille d'acier et que, par conséquent, le coût de l'acier est plus bas quand on emploie Fe2O3.
' On verra par les deux exemples qu'on peut fondre un poids élevé de métal en mitraille et que ce poids peut être 50% plus élevé que le poids de mineeai et de réactifs dans le cas de Fe3O4; il peut même atteindre 66% dans le cas de Fe2O3. Ces chiffres sont en substance indépendants du poids de la'charge*
Si on désire produire un acier pour la nitruration avec une certaine teneur en aluminium, on prépare au mieux le mélange comme pour un acier exempt d'aluminium et alois on ajoute dans le puisoir la quantité d'aluminium (pur) requise immédiatement
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après la réaction de raffinage avec les Lelanges B ou C.
Ce processus est particulièrement nécessaire dans un procédé employant du rainerai Fe2O3, car autrement si l'aluminium était couvris dans le mélange primaire, il serait perdu dans une réaction avec l'oxyde en excès.
Le métal en mitraille doit toujours être chauffa pour éliminer l'huile et l'humidité. Qn a trouvé que pour une production à grande échelle il peut être ajouté avantageusement à la charge sous un état fortement préchauffa. Il est bien connu que dans un four à acier d'un type quelconque c'est une question simple et peu coûteuse d'obtenir des températures de 1000 à 1200 C mais que le temps et le coût d'huile pour élever la température de cet intervalle jusqu'à 1800 C est très considérable. Tenant compte de ce fait, on peut pour une production à grande échelle employer un four supplémentaire pour chauffer à peu de frais la mitraille à 1000 ou au-dessus, et on introduit rapidement le métal en mitraille dans le creuset tandis qu'il est encore chauffe au rouge ou au blanc.
Dans ce cas le processus peut être différent de la méthode déjà décrite. Donc on introduitoun une petite quantité du mélange (sans mitraille) dans le creuset et onl'enflamme de la façon habituelle ou en y lançant un morceau de mitraille chauffé au rouge. On ajoute alors plus de mélange et plus de mitraille ohauffée au rouge maintenant dans le creuset une réaction continue et modérée.
Comme le creuset se remplit la scorie qui se forme , la surface peut être diminue pour faire place à plus de mélange et de mitraille jusqu'à ce que le creuset soit rempli de métal fondu, qui peut alors être coule dans des puisoirs pour le raffinage ultérieur déjà. décrit, On trouve que la quantité de mitraille qui peut être fondue tout
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en maintenant une température de coulée élevée , peut être égale à 6 ou 6,5 fois la quantité de minerai. Par exemple, en employait le mélange Fe2O3 donné ci-dessus, les produits principaux étant 160 kilogs de minerai et 49 kilogs d'aluminium on peut fondre jusqu'à 1040 kilogs de mitraille d'acier chauffée au rouge, et on produit environ 1102 kilogs d'acier.
Dans cette réalisation de l'invention on trouve avanta- geux de préchauffer le carbonate de sodium et de l'employer dans de plus grandes proportions qu'indiqué ci-dessus. Une méthode convenable est de comprimer le carbonate sodique en de petites briques et alors de les chauffer pratiquement au rouge.De temps en temps, comme le creuset se rempli, on y lance une brique chaude de carbonate et la scorie devient alors aussi liquide que de l'eau et on peut aisément la faire s'écouler au-dessus du bord du creuset, Si la scorie est versée dans de l'eau elle se désagrège en une poudre fine à partir de laquelle on peut récupérer divers sous-produits de valeur.
Dans la mitraille de fusion se trouvant dans la forme suivant l'invention décrite en premier lieu, s'il y a de gras morceaux tels des chenaux lourds et des risers qui ne peuvent être convenablement casses, il peut être difficile de les fondre complètement si le mélange entier de réaction est placé en une fais dans le oreuset.
La raison semble être que la grande masse de métal en mitraille amoncelle autour d'elle une enveloppe de silicates et d'alumine qui l'isole des matières reagissantes.On trouve,cependant, que si dans de tels cas les gras morceaux de mitraille (de préférence préchauffa jusqu'au ,rouge en jusqu'au blanc) sont placés dans le creuset avec seulement une petite partie, par exemple un quarto du mélange principal et si cette petite charge est alors enflammée, le
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reste de la charge étant alors ajouté en trois au quatre phases, cette enveloppe isolante entourant la mitraille est rompue et le mitraille est fondue à une vitesse beaucoup plus grande. Cet effet semble être attribuable à la présence de la matière supplémentaire dans le mélange.
Cette façon de charger le creuset en plusieurs phases a un avantage si la charge entière remplissait à peu près le creuset'. Dans ce cas les produits peuvent déborder, occasionner une perte de matériaux et causer un danger pour l'opérateur. Si cependant, la réaction est mise en marche avec une faible charge et augmentée progressivement, en ajoutant une nouvelle portion après que la réaction précédente ralentit au passe son climax, il n'y a aucune difficulté de réduire la charge entière sans perte etsans risque.
Suivant l'invention l'acier fondu peut être poduit à des températores plus élevées que celles qui seraient obtenues par les fours électriques les plus modernes à très haute fréquence, ce qui rend le procédé directement utilisable pour la conles centrifuge.
Quelle que soit la façon d'exécuter l'invention, il faut prendre soin de choisir du métal en mitraille de composition convenable relativement à la composition du minerai et à la composition finale désirée. Par exemple, si on désire un acier doux, de la mitraille d'acier doux de caractéristique convenable devrait être employée de façon à rendre inutile la nécessité d'un raffinage ultérieur. De même les produits tels que le ; manganèse, le nickel et le chrome, absents dans le minerai, peuvent être introduits sous forme d'alliages d'acier contenant ces métaux. Ce procéda est très souple et il peut être adapta par un calcul convenable et une attention particulière à la
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production de n'importe quel acier*.
Bien qu'un des principaux inconvénients des procèdes aluminothermiques ait été dans le passé leur contradiction et leur manque de certitude, on a trouve que le procédé ci-dessus décrit est capable de produire des résultats remarquablement constants aussi longtemps que les caractéristiques des produits sont connues, et qu'il n'est pas seulement possible de repro- duire indéfiniment un résultat une fois atteint, mais aussi de calculer la formule d'un mélange pour produire dans des limites permises, de l'acier de l'une ou l'autre composition donnée*
REVENDICATIONS
1.
Procède exothermique pour la production d'acier par réduction directe d'oxyde de fer par un réactif, dans lequel la réaction entre un oxyde ou des oxydes de fer et le réactif est favorisée et est maintenue par une réaction guide entre une partie du réactif et une matière supplé mentaire avec laquelle le réactif réagit à une température inférieure à celle de la réaction avec l'oxyde de fer, la quantité totale du réactif n'étant pas en substance plus élevée que la quantité théoriquement requise pour réduire l'oxyde de fer seul et la charge totale étant composée de façon à former une scorie suffisamment liquide pour assurer sa séparation du métal fondu dans le court intervalle de temps disponible avant que le métal ne soit coule.
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"Improvements relating to provocation of steel".
This invention relates to the production of steel by direct reduction of iron oxides.
It is well known that a metal produced solely from ore is not a good metal and that a good quality of the finished product assumes the presence among the raw materials of pig iron or scrap metal. This need to introduce an already manufactured metal into the steelmaking materials makes the alumino-thermal method of reduction theoretically attractive.
It is also known that when aluminum and iron oxide react together the temperature obtained is high enough to melt a considerable mass of metal in the addition of iron to the ore. Nevertheless, the production of steel by this method has not had commercial use, the reasons being that so far the reaction has been difficult to control, the results have been uncertain and inconsistent and the resulting steel generally containing a high proportion of impurities, especially aluminum and silicon.
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The first invention of the alumino-thermal processes used as reagent pure aluminum in powder form.
This made the process both dangerous and too expensive for general commercial use in steel production since powdered aluminum makes the reaction explosive and pure aluminum is economically out of the question except for production. rare metals. It has more recently been proposed in steel production to reduce both cost and risk by employing coarsely granulated particles of inexpensive commercial aluminum alloy, but this is not a complete solution as the reaction is more difficult. .
start and if the aluminum and the oxide are mixed in their correct proportions it may stop before it is complete because light and heavy elements of the mixture are more or less separated one of the other by incomplete mixing or in subsequent processing. Even if a mixture of coarse and fine particles of aluminum alloy is used as a reagent the results are not satisfactory because the fines tend to separate and can form explosive parts in the mixture, while the reaction is subject to damage. stop in other surfaces from which the fines have been separated, unless the amount of coarse particles is unacceptably high.
According to the invention, an amount of aluminum or other reagent is employed which is not substantially greater than the amount theoretically required to reduce iron oxide and which, in practice, might be insufficient to reduce all of the material. 'oxide. By this means, the amount of reagent in the steel is reduced, but the risk of stopping the reaction is increased.
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especially if the reagent is present as coarse particles or if it is separated rather than evenly distributed throughout the load.
The risk is eliminated by aiding and maintaining the reaction by means of a guide reaction between part of the reagent and additional material with which the reagent reacts at a substantially lower temperature than with iron oxide,
In exothermic processes, the reaction is normal. only set in motion at one point, at. from which it progresses outward through the mixture. When the additional material is included in the mixture, there is no difficulty in setting an initial reaction train between a part of the additional material and a part of the aluminum and which brings the surrounding mixture to a high temperature and starts the main reaction ,.
As the main reaction spreads. the subsidiary reaction progresses before it and helps it in a similar way in its propagation, in all parts of the mixture, the intense heat generated by the secondary reaction releasing oxygen from the iron oxide and bringing it into contact more intimate with the main reagent so that there is no risk of stopping the reaction even if the charge materials are slightly separated.
However, this, while a good and complete reaction is ensured, and a production of steel free of substantially aluminum or other reactant does not necessarily ensure, owing to other reasons, of good quality. au produced In a simple reaction between iron oxide and each other of the usual reactants Qn formed a scarie by gangue to the impurities in the metals which is too viscous to produce its complete separation in the limited time available between
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end of the reaction and the start of casting. This produces slag inclusions in the metal and a decrease in yield due to metal inclusions in the slag.
In addition the slag has a high melting point which produces a high silicon content in the steel, probably as a result of the transformation into silicon by the high temperatures generated by the always present silica. It is found that if the point of melting of the slag is lowered to about 1800 ° C or to a temperature not substantially exceeding 1850 ° C and its fluidity is increased substantially by the addition of an artificial slag so as to allow separation Very fast from the slag of the metal, it is possible to produce steel which is substantially free of slag or other inclusions and having a low silicon content.
To make possible the use as a reactant of a commercial aluminum alloy it is also necessary to ensure the passage through the slag of the undesirable constituents of the alloy, particularly copper and which are not volatilized by the high temperature. reaction temperature '
All of these objects have been found to be attainable by proper selection of the materials employed to form the artificial slag and to produce the further reaction mentioned.
The preferred materials to be employed and incorporated into the reaction mixture are as follows: 1. Lime to form an artificial slag and to remove phosphorus. It also retards the rate of propagation of the reaction and thus helps to control the reaction * 2. Calcium fluoride to act as a flux to liquify the slag.
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3. Sodium carbonate to increase the fluidity of the slag and also to pass the silica from the metal into the slag.
4. Potassium or sodium nitrate, chlorate or perchlorate to produce the reaction additional to the guide reaction, the decomposition products having the additional effects of subsequently liquefying the slag, lowering its melting point and combining with the slag. , drunk in the aluminum alloy and carry it in the slag ..
The total effect of a combination of these materials in the proper proportions is to create a very complete reaction despite the reduced amount of reagent and to produce a very fluid, low-melting slag which has no difficulty in rising with great rapidity to the surface of the molten metal in such a way that there is a clear separation between the metal and the slag but the short space of time available before the metal is poured, i.e. say, poured out of the reacting container.
It will be understood that if a small section molding or an ingot is made, the metal must, when it is poured into the mold in which it solidifies, be at a sufficiently high temperature to ensure sufficient fluidity to reach all the parts. of the mold and that in a process of the species in question the metal tends to solidify rapidly, since there is no external source of heat, to maintain the temperature. The time available naturally varies with the circumstances * For a given mixture the time available will be higher during large mergers than during small mergers,
because it will be shortened by either decreasing the melting temperature in cases where the temperature is kept low
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by melting a large quantity of metal in the form of scrap. It will also be shorter for steels with a low carbon content than for steels with a high content at the same temperature. It should also be understood that during this time interval a final refining process may be required. Fluidity and rapid separation of the slag are therefore of prime importance. According to the invention, it is possible to act to have a very rapid separation of slag.
Regarding the amounts of the above materials to be used there are no fixed or well defined rules as they depend on the nature and amount of gangue in the ore and impurities in the reagent . Lime can vary from 1% up to 1% of the weight of the ore: calcium fluoride can be two to five times the weight of lime and sodium carbonate can vary from 2.5% to 10% of the ore.
The amount of potassium or sodium chlorate or perchlorate, when high content ores are used, is about 4% to 5% by weight of the residue, but if lower ores are used it may be equal to 10% and with concentrated ores from which the gangue has been eliminated it can be between 1% and 5%. If potassium or sodium nitrate is used a slight increase will be required (about 10% more). In any case the proper proportion of all these materials is best determined by small scale experiment and the amounts obtained in this way will be considered only as guidelines.
We know we already have. propased the use of potassium or sodium nitrate as oxidizing agents in alumina-thermal processes but only in combination, with
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a much larger quantity of aluminum than the theoretically correct proportion, while it has been proposed to employ the nitrate itself in quantities (15% to 25% by weight of the aluminum) which are much too high. Used in these proportions with an excess of aluminum, a violent and sometimes dangerous reaction occurs with the development of very high temperatures and the resulting metal is far from pure.
In the process according to the invention, on the other hand, the theoretical quantity of aluminum is not normally exceeded and the quantity of additional material which is used to react with part of the reactant is only sufficient to maintain a regular reaction. through the entire mixture.
The amount of aluminum is important. If too much aluminum is used, the resulting steel has an excessive aluminum content, it has been found that the best amount depends on the nature of the iron ore or oxide and therefore will be determined experimentally for one ore or given oxide, but when using a:
Fe3O4 ore it never exceeds in substance the theoretical quantity required for the reaction between the oxygen of the ore with the oxide and the aluminum and it can be notably less for the Fe2O3 oxide The reason is that with the Fe2O3 ore more exothermic, if one uses the exact theoretical quantity of reagent, the reaction is too fast and violent so that one can lose control of the reaction. By employing a reduced amount of reagent and a small amount of additional material one maintains control of the reaction, while the excess oxide has a useful effect on slag liquefaction, and silicon and carbon contents. aluminum are kept low.
At the same time
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either loss of metal occurring by the oxide which did not react is more than compensated by the high temperature reached (i.e. higher than in the case of the ore
Fe3O4) which allows much more steel to be melted into other metal. The total steel yield per unit weight of ore or reagent is therefore higher with FE2O3 than with FE3O4.
It is preferred to employ the commercial aluminum alloy generally having at least 90% purity, the remainder being copper, zinc, nickel, etc., although there would be no tin present and a wax. Percentage of silicon is generally not desirable unless an α-steel is intended. high carbon. If, however, a silicon alloy is used and it is found to produce an undesirable high proportion of silicon in the steel, the excess silicon can be reduced during operation by the method described in application No. 4486 / 41.
The wastes from turning or drilling aluminum-copper alloys such as those known under the trademark "Duralumin" are found to be very suitable and are preferably pulverized to a size of about 30 to 60 mesh. A greater fineness of the aluminum is not desirable due to the danger of explosion, and aluminum dust if present in considerable quantity would be removed. The calculation of the required amount should of course be based on the pure aluminum content of the alloy.
Although aluminum alloy is preferred to be employed on account of its convenience and inexpensiveness, according to the invention one or the other suitable reagent such as aluminum-calcium can be used. aluminum-silicon calcium-
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silicon etc., and although in the following description of the Operation according to the invention reference is made only to an aluminum alloy, it should also be understood that the invention is not limited in such a way.
The explanation given above relating to the use of the aluminum alloy necessarily has in view the problem posed by the impurities which it contains. It would also be understood that although potassium nitrate or the like is particularly useful in effecting the removal of these impurities, these alkali metal salts are employed to produce a guide reaction without regard to the reagent used as produced thereby. good reaction with a reduced amount of reagent and rapid separation of low melting point slag.
When an amount of reagent is used which might be insufficient by itself to ensure reduction of all the oxide and even if a part of it is used to react with potassium nitrate etc., the reaction, in the absence of scrap metal, is very violent and the temperature generated is very high. The violence of the reaction is therefore controlled and the temperature is lowered by adding to the mixture an additional volume of metal, which may be suitable analytical scrap steel, or other metals or ferro-alloys required in the mixture. steel.
As the cold materials introduced into the mixture produce the boiling of the molten metal and the water causes explosions by the rapid formation of vapor. all materials should be completely dry and are preferably used hot.
Since the success of the process depends, inter alia, on the use of materials of known composition, it is advisable to use natural ores, such as such.
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Materials are far from homogeneous and their chemical composition can vary widely within a quite narrow band. The most suitable iron ores for use are roughly divided into two groups (1) ferrosaferric or magnetic Fa3O4 ores and (2) ferric oxide Fe2O3 ores and of course one will be selected from each group. ore with- the highest percentage !: high in Fe and the lowest percentage in unwanted impurities.
However material containing a high percentage of Fe3O4 is quite suitable for use in the process can be produced from scrap material for which there are normally very few uses, ie. - say the residue in the form of grapeshot from the thin steel plates used by car manufacturers and similar or even thinner plates used in the manufacture of tinplate plates. This material is very bright and the cost. to reduce it to a form in which it can be recast by normal methods is prohibitive.
It has been found, however, that this material can be converted for use in this process by heating it at a temperature of 100 to 1200 C for twenty minutes to, two hours in an oxidizing atmosphere, the duration depending on the thickness of the material. and the thickness of the treated layer. The product of this treatment will have a content of 90 to 95% Fe3O4. which is approximately the same as the composition of the natural magnetic minorai. Heating also greatly decreases the volume of the material and generally the product is in the form in which it can be used in the process after only having been slightly crushed.
It should be advised, however, to pass it through a magnetic separator after grinding to
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remove impurities, and particularly silica,
In carrying out the invention, it is convenient to prepare the additional material by making a stock mix in the following proportions:
Potassium Chlorate 15 to 20 pounds
Calcined lime 13 to 15 pounds
Calcium fluoride 5 to 6 1/2 pounds
This reference mixture will be represented by A. Potassium chlorate can be replaced by an equal amount of potassium perchlorate or sodium chlorate or perchlorate, or potassium nitrate or sodium nitrate can be used but then the amount must be increased by about 10 %.,
Lime and calcium fluoride are introduced into mixture A to be related to the problems arising from the use of the additional material, but as they are already included in the main mixture their quantities are not correct for so long. that the lime content is less than chlorate and that of calcium fluoride less than that of lime. The more chaos- is used, the slower the reaction, the more flux is added, the more liquid the slag will be; but the amount in each case would not be large enough to damage the refractory linings of the crucibles and sumps. -
The ore can be reduced to a size of 30 to 100 mesh or less.
All the products in the batch must be completely dry and can be mixed while hot, or heated after mixing, provided that in this case, if a temperature of 250 ° C is exceeded the additional material is not included in the batch. mixture, being added to the mixture just before use,
The metal produced by the reaction of an oxide in the presence
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air is usually more or less oxidized, so that a deoxidizing agent can be advantageously added. Manganese is particularly suitable since it is also a good desulfurization agent. Of course, if manganese is desired in the final metal, the amount used will be calculated to produce both the deoxidizer content and the required manganese content.
A characteristic mixture, obtained by employing a good magnetic ore (predominantly Fe2O4 content) is as follows: Magnetic ore (approximately 96% Fe3O4) 165 kilogs Pure aluminum gnet) 53 "
Sodium carbonate 4.5 "
Lime 1,5 "Calcium fluoride 6" Fe rro-manganese (90-93% Mu) 2 "
Mixture A 3 "
110 "mild steel shot
The mixture, without the added scrap, will amount to 100 to 115 kilograms of mild steel at not necessarily high temperature, and it is possible to use the excess heat to melt 80 to 120 kilograms of scrap metal.
If the carbon content of the product is too low it can easily be increased by substituting for. part of the grape-shot steel a calculated quantity of pig iron preheats; hematite or cast iron of suitable composition, and any of the required alloying elements, such as chromium, nickel or vanadium, can be easily added either in the form of metals pure either as ferroalloys or solid as oxides, the quantity of aluminum in the mixture being increased in the latter case to produce the necessary reagent. The constituent alloys may also be introduced as a constituent of the mixture. metal in grape shot.
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When melting small amounts of the mixture for experimentation the whole process can be easily carried out in a sump whose capacity is not less than a capacity 25% greater than the volume of the mixture, but for larger amounts one uses reduce the oxides in a mini crucible with an outlet at the bottom through which the metal is poured into a sump for further refining, or for even larger quantities a poison with a coating similar to an electric furnace is used.,
To charge a crucible, a small part, for example a quarter, of the mixture is placed at the bottom of the crucible:
on top of it we put the manganese and one or other of the parts of the grape which are too large to be introduced into the mixture, and we also add the ferra-alloys. The rest of the mixture is then poured over the whole and it is brought in to fill the interstices between the fatty pieces of scrap metal.
At the center of the charge screen is placed a small amount of a product consisting of a 3: 1 mixture of pulverized ore (OR milled and aluminum. And in the center of this product is placed a very small amount flammable powder composed of equal parts of aluminum, magnesium powder and barium dioxide
The reaction in the crucible is then set in motion by igniting the flammable powder with a match or an electric spark or by touching it with a bar red hot.
The reaction proceeds incredibly quickly and evenly, emitting a dense gray smoke. a cap leading to. a flue can be adjusted in an adjustable manner on the crucible so as to be brought close to the top of the crucible as soon as the reaction begins.
It is used for
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double put to guide the smoke into the flue and bring back into the crucible one or the other of the aluminum particles with unreduced oxide which can be dissipated by the reaction
As soon as the reaction has ceased a pause is made to allow all the products to melt and the slag to rise to the surface and the molten steel from the charge flows from the bottom of the crucible into a sump which is removed as soon as the slag appears, the slag flowing into a pit located under the crucible
Even if we consider a case requiring the use of the optimum amount of aluminum, the steel may contain aluminum, with a certain amount of alumina and sometimes an excess of silicon.
In order to eliminate these impurities, a small reactive charge can be placed in the sink before the steel is poured into it. this charge consisting of oxide mixed with a quantity of aluminum insufficient to reduce the oxide if it is ignited (for example one sixth of the weight of ore). This weak charge is ignited by the molten steel and a slight reaction is established in the sump. This keeps the metal hot and stirring while the excess oxide deposited in the sump, being heated to a temperature at which a silico-thermal reaction can begin, combines partially with the unwanted silicon and partially with the residual aluminum from the metal.
These reactions are favored by the stirring established in the metal of the sump which helps to intimately secure to the aluminum and the silicon dispersed in the molten product the oxide, which has not reacted.
When this reaction in the sump slows down the steel is still too hot to be poured. He can too
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contain a certain amount of finely divided slag, alumina, sulphide, silica and occluded gas and it is probably slightly oxidized. A good rapid subsequent refining is therefore necessary. The slag that has formed is removed and a small package containing a refining charge is thrown into the sump. The mixture called "mixture B", constituting a suitable refining feedstock, is composed as follows:
Silico-calcium o, 42 kilogs
Sadistic carbonate 0.54 "
Ferro-titanium and, 15 "these products all being in powder form.
A subsequent rapid reaction follows and produces strong agitation of the metal. This brings to the surface a very liquid slag which will be found to contain virtually all the alumina all the unwanted silica and sulphide. The slag is evaporated and the steel will then be found to be completely clean, clean, deoxidized and ready to be poured, although it may still be too hot in which case it is allowed to cool. In mixture B, the titanium, which is a degassing agent, can be introduced in the form of ilmenite, or of metallic titanium or of titanium oxide or salt or in the form of ferro-titanium.
If the molds in which the metal is poured are suitable, instead of putting the whole mixture B in the pitcher, only a part, for example half, can be added to the metal and the rest can be placed in the molds,
When the metal is finally poured into the molds it is further refined and purified by the mixture B and the silica from the sand of the molds and which it could take again, will bring up the state of slag in the bearings.
Another useful method of using Mix B is
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avoid the formation in the cast products of cavities due to shrinkage. If some of the mixture is placed on the channels and risers like these are near the solidification point, the metal in the cheraux and risers is heated up so that it can flow to fill either. cavities which can be formed in the cast products.
If, before refining as above, one notices an emission of red sparks coming from the metal and indicating the presence of oxygen, the steel can be deoxidized by adding to the sump, in time that the mixture B, of 50 grams of pure aluminum in pieces or in the form of sticks. This immediately melts on the surface of the steel and mixes with it by immediate and vigorous agitation.
The yield of the fusion described above is approximately
220 kilogs of mild steel.
When processing an ore of the Fe2O3 group the mixture must naturally be nodified, but the general process is the same. In this case, as explained above, it has been found from practical experience that it is preferable to use an amount of aluminum less than the theoretically exact amount of aluminum.
A mixture which has been used successfully for the production of mild steel from an ore which contains predominantly Fe2O3 is made up in the following proportions;
Muerai (96 1/2% Fe2o3) 160 kilogs Aluminum 94% pure) 49 "
Sodium carbonate @ 6 "
Lime 1.5 "
Calcium fluoride 3 "
Iron manganese (90-93% Mn) 2.5 "
Mixture C 2.5 "
140 "mild steel shot
The mixture C referred to is the material
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additional combined with various products of mix A.
Blend 0 is a supply blend made up as follows:
Sodium potassium nitrate 40 kg
Soda ash 1.5 "
Dmenite powder 1.5 "
Titanium powder 2 "Manganese ore powder (MnO2) 2."
When the smelting is complete the feed can be cooled slightly and then it is poured into a sump and pure aluminum can be added as a deoxidizer and a refining feed as required. A suitable refining feed is made of :
Silico-calcium 120 grams
Sadistic Carbonate 120 "
Ilmenite or ferro-titanium 40 "
The yield from this smelting is approximately 220 kilograms of mild steel.
The comparison of the two mixtures shows that for a given quantity of ore or of reagent, one can use, because of its greater exothermicity, the mixture Fe2 O3 to melt a high percentage of steel scrap and that, consequently, the mixture cost of steel is lower when Fe2O3 is used.
It will be seen from the two examples that a high weight of scrap metal can be melted and that this weight can be 50% greater than the weight of mine and reactants in the case of Fe3O4; it can even reach 66% in the case of Fe2O3. These figures are essentially independent of the weight of the load *
If it is desired to produce a steel for nitriding with a certain aluminum content, the mixture is best prepared as for an aluminum-free steel and then the required quantity of (pure) aluminum is added to the sump immediately.
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after the refining reaction with Lelanges B or C.
This process is particularly necessary in a process employing Fe2O3 ore, because otherwise if the aluminum were covered in the primary mixture, it would be lost in a reaction with the excess oxide.
Scrap metal should always be heated to remove oil and moisture. It has been found that for large scale production it can be added to the feed advantageously in a strongly preheated state. It is well known that in a steel furnace of any type it is a simple and inexpensive matter to obtain temperatures of 1000 to 1200 C but that the time and cost of oil to raise the temperature of this interval up to 1800 C is very considerable. Taking this into account, one can for large scale production employ an additional furnace to inexpensively heat the scrap to 1000 or above, and the scrap metal is quickly introduced into the crucible while it is still. heating to red or white.
In this case the process may be different from the method already described. So we introduce or a small quantity of the mixture (without grape) into the crucible and ignite it in the usual way or by throwing a piece of red-hot scrap metal into it. We then add more mixture and more red-heated scrap, maintaining a continuous and moderate reaction in the crucible.
As the crucible fills with the slag that forms, the area can be decreased to make room for more mixing and scrap metal until the crucible is filled with molten metal, which can then be poured into wells for refining. later already. described, It is found that the amount of scrap metal that can be melted while
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maintaining a high casting temperature, can be 6 or 6.5 times the amount of ore. For example, using the Fe2O3 mixture given above, the main products being 160 kg of ore and 49 kg of aluminum, up to 1040 kg of red-hot steel scrap can be melted, and approximately 1102 kg is produced. of steel.
In this embodiment of the invention it is found advantageous to preheat the sodium carbonate and to use it in greater proportions than indicated above. A suitable method is to squeeze the sodium carbonate into small bricks and then heat them to practically red. From time to time, as the crucible fills, a hot brick of carbonate is thrown into it and the slag then becomes as liquid as water and can easily be made to flow over the edge of the crucible.If the slag is poured into water it breaks up into a fine powder from which various valuable by-products can be recovered .
In the fusion scrap in the form according to the invention described first, if there are fatty pieces such as heavy channels and risers which cannot be properly broken, it may be difficult to melt them completely if the entire reaction mixture is placed in one batch in the oreuset.
The reason seems to be that the large mass of scrap metal heaps around it an envelope of silicates and alumina which isolates it from reacting matter. It is found, however, that if in such cases the fatty pieces of scrap metal ( preferably preheated to, red to white) are placed in the crucible with only a small part, for example a quarto of the main mixture and if this small load is then ignited, the
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the remainder of the charge then being added in three to four phases, this insulating envelope surrounding the grapeshot is broken and the grape shot is melted at a much greater rate. This effect appears to be due to the presence of the additional material in the mixture.
This way of charging the crucible in several stages has an advantage if the whole charge nearly filled the crucible. In this case the products can overflow, causing a loss of material and causing danger to the operator. If, however, the reaction is started with a small load and gradually increased, adding a new portion after the previous reaction slows down to its climax, there is no difficulty in reducing the entire load without loss and without risk.
According to the invention, molten steel can be produced at higher temperatures than those which would be obtained by the most modern very high frequency electric furnaces, which makes the process directly usable for centrifugal conles.
Regardless of how the invention is carried out, care must be taken to select scrap metal of suitable composition relative to the composition of the ore and the desired final composition. For example, if mild steel is desired, mild steel scrap of suitable characteristic should be employed so as to obviate the need for further refining. Likewise products such as; manganese, nickel and chromium, absent in the ore, can be introduced as steel alloys containing these metals. This procedure is very flexible and it can be adapted by a suitable calculation and particular attention to the
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production of any steel *.
Although one of the main drawbacks of thermite processes has in the past been their contradiction and lack of certainty, it has been found that the process described above is capable of producing remarkably constant results as long as the characteristics of the products are known. , and that it is not only possible to reproduce indefinitely a result once achieved, but also to calculate the formula of a mixture to produce within permissible limits, the steel of one or the other. other composition given *
CLAIMS
1.
Exothermic process for the production of steel by direct reduction of iron oxide by a reactant, in which the reaction between an iron oxide or oxides and the reactant is promoted and is maintained by a guide reaction between a part of the reactant and an additional material with which the reagent reacts at a temperature lower than that of the reaction with iron oxide, the total amount of the reagent not being substantially greater than the amount theoretically required to reduce iron oxide alone and the total charge being composed so as to form a sufficiently liquid slag to ensure its separation from the molten metal in the short time available before the metal is cast.