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Procédé de fabrication d'une matière pour des objets réfractaires, abrasifs, etc.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une matière pour des objets réfractaires, des abrasifs et des applications analogues.
Conformément à l'invention on fabrique une matière nouvelle, ayant une composition avantageuse, en faisant
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fondre des matières de départ contenant une spinelle telles que la chromite et de l'alumine.
Lorsqu'on dispose d'une matière de départ contenant les matières en question en proportions appropriées et étant aussi suffisamment pure d'éléments indésirables, on obtient la matière de composition nouvelle en faisant fondre cette matière de départ de la façon qui va être décrite. Toutefois, les minerais usuels chromitiques contiennent généralement trop peu d'alumine pour l'application envisagée; en outre, dans ces minerais, la ohromite est toujours accompagnée d'impuretés, de sorte que la fusion de ces minerais suivant la pratique usuelle ne donne également que des résultats défectueux.
Or on a trouvé que l'on peut obtenir, en faisant fondre des minerais chromitiques avec de l'alumine, des produits conservant les propriétés réfractaires et d'autres propriétés désirables des minerais chromitiques fondus, les défauts dus aux impuretés contenues dans ces minerais étant par ailleurs réduits au minimum.
La chromite, qui constitue l'élément essentiel des minerais chromitiques est un oxyde double de fer et de chrome; elle cristallise dans le système isométrique ou régulier. Toutefois, la chromite trouvée dans la nature est toujours accompagnée de magnésie et d'alumine, que l'on rencontre souvent en composé isomorphe avec elle. La chromite constitue probablement la matière réfractaire chimiquement neutre la plus utilisée qui soit connue. Par suite des impuretés qui l'accompagnent et qui ne peuvent pas être éliminées par les procédés pratiques connus, les propriétés désirées de la chromite sont toutefois souvent altérées dans
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une mesure extraordinaire. En tout cas il est très utile de choisir des minerais chromitiques contenant peu de magnésie et d'alumine.
Lorsque l'on fait fondre un minerai chromitique contenant 'beaucoup de magnésie, la réaction du produit obtenu est trop basique; d'autre part, la réaction d'un produit de la fusion de minerais contenant trop de silice est trop acide. Les termes "basique" et "acide" sont employés ici dans leur sens métallurgique usuel.
L'oxyde ferreux ne constitue aucun élément indésirable des minerais choisis pour la fusion, tant qu'il2y3a au moins un équivalent moléculaire d'oxyde de chrome (Or 0 ) pour chaque molécule d'oxyde ferreux (FeO).
Toutefois les minerais chromitiques ne se trouvent en aucun cas parfaitement purs d'éléments indésirables.
Conformément à l'invention il est toutefois possible d'éliminer les actions nuisibles de ces éléments constitutifs secondaires.
On a trouvé que le bain de fusion obtenu par la fusion d'alumine avec de la chromite est constitué essentiellement par une masse cristalline homogène. Une augmentation de la proportion d'alumine ne provoque évidemment aucune séparation d'alumine libre par cristallisation; même dans les morceaux qui ont été fabriqués suivant la présente invention et qui contiennent une quantité d'alumine allant jusqu'à dépasser 80% en poids, l'examen pétrographique n'a permis de constater aucune alumine libre. Toute l'alumine a été évidemment absorbée en solution solide par la chromite fondue.
A l'examen microscopique on constate que le bain de fusion de chromite et d'alumine constitue une masse
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dense de cristaux de spinelle de chrome tendant à prendre la forme d'octaèdres. Ceci est la forme usuelle des cri- staux dans le groupe isomorphe des spinelles. Cette so- lution solide d'alumine et de chromite est également elle- même isotrope, comme la chromite fondue, ou bien elle n'a un double foyer que dans une mesure très faible.
Au point de vue cristallographique il n'ya pas de différence sensible entre la chromite fondue et un bain de fusion de la même chromite avec de l'alumine, sauf que dans ce dernier cas la matière qui remplit les intervalles se rencontre en proportions de beaucoup plus faibles par suite des impuretés (en général des silicates), de sorte que les grains cri- stallins sont plus serrés et que l'homogénéité du produit final est très améliorée. Ceci entraîne toutefois une augmentation des propriétés réfractaires et de l'inertie vis-à-vis des phénomènes chimiques. En outre une solution solide vraie de ce genre de deux oxydes semble avoir les propriétés chimiques de l'élément le plus inerte.
Dans le choix de la matière première utilisée con- formément à l'invention, on préférera utilement les minerais de chromite contenant beaucoup d'oxyde de chrome et peu de silice (SiO2) et de magnésie (MgO). Toutefois ceci ne doit être considéré en aucun cas comme une limitation de l'invention à des minerais de chromite déterminés quel- conques .
Dans un exemple typique d'un mélange de 25 parties en poids de minerai chromitique avec 75 parties en poids d'un produit secondaire alumineux fondu contenant environ
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95% d'Al 0 , la majeure partie du poids est constituée principalement par des oxydes de fer et de titane. Comme les résultats sont d'autant meilleurs que l'alumine est plus pure,on peut utiliser une matière de départ contenant une très grande proportion d'alumine, et même de la bauxite.
Les impuretés ne détruisent pas la structure cristalline car la spinelle de chrome absorbe l'alumine en solution solide, tandis que la magnésie et principalement toute la silice se retrouvent dans les intervalles des cristaux. Pour réduire la proportion de silice et de magnésie dans le produit final, on utilisera généralement et de préférence, dans le mélange de départ, au moins des parties égales en poids d'alumine et de minerai ohromitique, jusqu'à 85 parties d'alumine pour 15 parties de minerai chromitique.
Dans la mise en pratique du procédé conforme à la présente invention, on utilise de préférence un four électrique semblable à celui qui est usité pour la fabrication d'alumine fondue pour les abrasifs. Ce four est constitué en général par une enveloppe refroidie par de l'eau, sans autre revêtement que celui qui est produit par la matière qu'il s'agit de faire fondre, telle qu'elle est introduite dans le four. La fusion est amorcée par la chaleur d'un arc électrique jaillissant entre deux ou plus de deux électrodes encastrées dans l'enveloppe en fer.Toutefois, lorsqu'il s'est formé un bain de matière fondue, la résistance électrique de la matière fondue est utilisée pour produire la chaleur. Le mélange est introduit petit à petit et les électrodes sont soulevées au fur et à mesure que le niveau de la matière fondue monte.
Lorsqu'on utilise pour l'alumine une matière de départ
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d'une pureté appropriée,comme par exemple l'alumine fondue obtenue sous forme de sous produit, les éléments de la charge sont concassés d'abord jusqu'à environ 3 à 6 mm, et même jusqu'à une finesse plus grande, puis on les mélange avant la fusion. Au contraire, si la matière de départ représentant l'alumine est constituée par des mine- rais à base de bauxite, on chauffe d'abord la bauxite seule avec une quantité suffisante de charbon, au lieu de mé- langer les éléments entre eux au préalable afin de réduire les impuretés telles que l'oxyde de fer et la silice. On ajoute ensuite le minerai chromitique, qui se dissout de façon homogène dans l'alumine fondue.
La fusion est con- duite comme d'habitude, mais. de façon qu'il ne puisse y avoir qu'une réduction aussi faible que possible des mine- rais, en particulier de la chromite. Toutefois, lorsqu'il y a un excès de silice en présence,il peut aussi être utile, dans les mêmes conditions, d'opérer pendant la fusion dans des conditions réductrices, et même aussi après l'addition de la chromite, de faon à réduire et à volati- liser la plus grande quantité de silice possible.
Il faut toujours avoir soin de ne réduire aucun oxyde de chrome, et de ne pas réduire non plus la majeure partie de l'oxyde ferreux en métal. Dans ces bains de fusion l'oxyde de fer se présente toujours sous la forme d'oxyde ferreux et il est généralement combiné avec l'oxyde de chrome en proportion moléculaire sous forme de spinelle
2 4 (FeOr 0). Toutefois s'il y a dans certains cas un excès de fer pariapport à la quantité indispensable pour former une spinelle de chrome avec la chromite en présence, on
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peut combiner cet excès d'oxyde ferreux avec de l'alumine pour produire une spinelle de fer FeAl 0 qui, de son côté, se combine de façon homogène avec le chrome et les autres spinelles dans le bain de fusion.
Si le minerai est extrêmement riche en oxydes de chrome, on peut aussi ajouter des minerais à base d'oxyde de fer pour augmenter la pro- portion de spinelle de fer pouvant aussi absorber de l'alumine en solution vraie en très grandes quantités.
On a trouvé en outre que les mélanges ayant ces compositions sont extrêmement liquides lorsqu'ils sont fon- dus d'une façon appropriée. Le four peut comporter une ouverture latérale pour le vidange de la matière fondue, ou bien il peut aussi être monté basculant, pour couler la matière dans des moules. Dans ce dernier cas surtout il est utile de prendre des dispositions pour que la matière en fusion ne soit pas déversée dans le dispositif de refroidissement par de l'eau. On peut obtenir ce résultat par exemple par l'application appropriée d'un raccord en fer.
La matière fondue est chauffée jusqu'à une tem- pérature très supérieure au point de fusion, puis coulée dans des moules. Les moules peuvent être constitués par une matière réfractaire granulée et par un liant de noyau, comme cela se fait d'habitude en fonderie, ou composés de plaques en matière réfractaire cuite ou de charbon et d'un métal approprié. Au besoin, ces moules sont chauffés auparavant, mais ils peuvent aussi être isolés, pour em- pêcher une dispersion trop rapide de la chaleur, par intro- duction dans une fosse de coulée, dans laquelle on les entoure de sable ou d'autre matière calorifuge.
Il faut que les moules comportent des évents assez
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larges, pour permettre leur remplissage complet, sans que de la matière solidifiée se dépose dans les masselottes. Si l'évent est fait en forme de coin de très petite section directement dans le moule, l'enlèvement de la matière en excès qui forme la masselotte, est sensiblement facilité.
Lorsqu'un moule est rempli, on l'enlevé et on remplit ensuite d'autres moules d'une façon appropriée.
Au lieu de verser dans des moules la matière réfractaire préalablement fondue, on peut aussi faire en sorte que le four serve lui-même de moule. Dans ce cas il convient de garnir le four d'un revêtement mince en matière réfractaire, de façon que la matière fondue aille jusqu'aux parois latérales en formant un bloc lisse. La charge est effectuée de la même façon; les électrodes sont retirées graduellement et on obtient ainsi un bloc ayant l'épaisseur désirée. Ce mode de moulage a l'inconvénient quel'on ne peut remplir qu'un moule à la fois. Toutefois cet inconvénient est compensé par le fait que l'on n'a pratiquement aucune perte de matière par des masselottes,etc., comme dans l'autre procédé de coulée.
Dans bien des cas il convient aussi de faire les fours de ce genre, servant de moules, avec une petite différence de section pour faciliter le démoulage des pièces. Toutefois cette mesure n'est pas indispensable, à cause du retrait considérable après la solidificationo
Les pièces coulées peuvent être laissées dans le moule pour être soumises à un autre traitement thermique, ou bien, lorsqu'on utilise des moules en fer, on peut en extraire les pièces un peu après que les parties extérieures
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de la pièce se sont solidifiées. e+ lAo i.# a.
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à se refroidir, Les masselottes doivent alors être cassées et séparées des pièces, parce que dans cet état celles-ci sont plus tenaces que lorsqu'elles sont froides, de sorte qu'on risque moins de les détruire en cassant les masselot- tes.
Lorsqu'il s'agit d'une masselotte conique dont la section la plus petite se trouve directement sur la pièce, l'enlèvement est plus simple et assez propre, comme d'ha- bitude.
Pour le refroidissement on peut procéder de la façon usitée en pratique, en prenant les pièces coulées et en les introduisant dans un four, puis en réduissant graduelle- ment la température en entourant les pièces de sable chaud ou d'une autre matière isolante, ou bien en n'isolant les pièces que peu et en les laissant se refroidir par la dis- persion de leur propre chaleur ou avec la chaleur d'autres blocs introduits avec elles et très rapprochés. La courbe indispensable de temps et de température a des allures extrêmement différentes suivant la forme et la nature des pièces et aussi suivant la composition de la matière fondue.
On remarquera en général qu'il convient, lorsqu'une section déterminée présente des fissures, d'augmenter cette section de refroidissement seule, ou bien aussi toute la durée de refroidissement.
Lorsque les pièces sont froides, les résidus con- sidérables quelconques de la masselotte ou de petites in- égalités peuvent être éliminés au burin ou à la meule dans quelques cas.
Les objets réfractaires ainsi fabriqués sont par- ticulièrement précieux dans différentes branches de la
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métallurgie, pour des bains de fusion contenant du fer, ainsi que ceux qui n'en contiennent pas, les bains de fusion électriques, les opérations chimiques, etc. Leur résistance aux laitiers permet de les utiliser sur une très grande échell dans toutes les applications des matières réfractaires, toutes les fois que l'on a besoin de matière très résistantes; on citera par exemple les parois, des foyers de chaudières, etc.
On peut en outre prendre des grains réfractaires obtenus à partir de certaines parties de ces bains de fu- sion et les ajouter à des mélanges de sable appropriés, comme cela se fait d'habitude en pratique pour les matières réfractaires liées à un haut degré, puis les chauffer à de hautes températures dans des fours céramiques. Pour le liant on utilise de préférence une matière brute ayant une composition analogue à celle du grain.
Comme il est tout à fait nouveau de faire fondre de l'alumine avec de la chromite ou des spinelles de ohromite sous forme de solution solide d'alumine et de chromite; la présente invention n'est naturellement nulle- ment limitée à des proportions déterminées quelconques d'alumine et de chromite. On a bien trouvé qu'il est par- ticulièrement avantageux de maintenir la proportion de chromite au-dessus d'une limite inférieure de 10%. On ob- tient les propriétés désirées de préférence lorsque la proportion de Or 0 est de 10% et davantage et celle de FeO 6% ou davantage.
En conséquence, pour obtenir les meilleurs résultats, on ne descend pas au-dessous de ces limites pour la com-
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position de la solution solide. On propose en outre, comme
2 3 limite inférieure pour la proportion d'Al 0 de ne pas prendre moins 2 de 3 50% environ. La limite supérieure de la pro- portion de Al 0 ne doit pas dépasser 80%. Il faut prendre une proportion inférieure d'alumine, au jugé, et cette proportion dépend des minerais chromitiques en présence. La raison pour laquelle la limite inférieure a été fixée à 50% environ, c'est que les impuretés qui se trouvent en général dans les minerais chromitiques exigent une addition d'environ 50% d'alumine ou davantage pour permettre une dissolution suffisante de ces impuretés.
La présente invention est en outre particulièrement avantageuse parce qu'elle permet de fabriquer des matières réfractaires telles que la spinelle de chrome contenant une proportion extrêmement petite de magnésie et de silice.
@ Dans le produit final la proportion de silice devra par exemple être inférieure à 50% et celle de magnésie inférieure à 12%, bien qu'en général, lorsqu'on utilise des minerais chromitiques appropriés, la quantité totale de silice et de magnésie soit effectivement inférieure à 10%.
La présente invention a été décrite principalement relativement à son application à des matières réfractaires, mais elle se prête aussi à des applications chimiques et à des applications mécaniques. Par exemple, on peut aussi fabriquer un. grain abrasif de bonnes qualités ; sescristaux se brisent d'une façon telle que ce grain possède des qualités avantageuses lorsqu'il sert d'abrasif, et il est aussi plus
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tenace qu'une matière ordinaire à base de spinelle.
En outre,par suite de la combinaison avec l'alumine, il est plus dur que téut composé normal à base de spinelle,les propriétés cristallines, telles que la propriété carac- téristique des cristaux isométri.ques de se cliver sous forme de cubes étant d'ailleurs conservées en même temps.
On a exposé brièvement ci-dessus quelques-unes des différentes possibilités d'application de l'invention.
Tout homme du métier connaîtra naturellement des possibilités d'applicatioins analogues. En outre on a indiqué des détails particuliers relativement aux impuretés que l'on trouve généralement dans la chromite, et décrit des procédés avantageux pour réduire la proportion de ces impuretés dans les produits finis. Il est évident que la présente invention n'est nullement limitée à ces modes de réalisation décrits, et qu'elle peut aussi être appliquée utilement de toute autre façon.
Revendications :
1. ) Procédé de fabrication d'une matière pour des objets réfractaires, abrasifs et produits analogues, caractérisé par le fait qu'on fait fondre une spinelle ou des oxydes pouvant produire une spinelle, avec de l'alumine ou des matières de départ contenant ces éléments con- stitutifs.