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"PROCEDE DE PREPARATION DU FERRO - CHROME" Conv.Int.: Priorité de quatre demandes de brevets déposées aux Etats-Unis d'Amérique, les trois premières par Hendrik deWet ERASMUS le 13 avril 1948 n 20.851, 20.852 et 0.853, la 4ème par Howard Randall SPENDELOW Jr. et Hendrik dewet
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ERASMJS le-.2.6 mai 1948 n 29.256. # . est-à-dire
L'invention concerne le ferrochrome, c'est-à-dire un alliage de fer et de chrome, dont la teneur en chrome est comprise de préférence entre 65% et 75%, mais peut être com- prise entre les limites plus étendues de 50% à 90%, et plus particulièrement un procédé de préparation du ferrochrome pauvre en carbone par décarburation du ferrochrome riche en carbone dans le vide à l'état solide.
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Lorsqu'il s'agit de préparer de nombreux alliages de fer contenant du chrome, il est très avantageux d'employer du ferrochrome à faible teneur en carbone. Dans l'état actuel de la technique, on prépare le ferrochrome pauvre en carbone par le procédé de réduction par le silicium. Les matières premières employées sont principalement du minerai de chrome, du silicium ou un alliage de silicium, et des flux. L'opéra- tion s'effectue à l'état fondu, généralement dans un four électrique à arc découvert. La réduction du minerai de chrome s'effectue suivant l'équation suivante : FeOCr2 + 2 Si = 2 Cr + Fe + 2 SiO2
Suivant l'invention, on prépare le ferrochrome à faible teneur en carbone par décarburation dans le vide du ferrochrome à forte teneur en carbone avec un oxydant, ces deux éléments étant à l'état solide.
Parmi les oxydants qu'on peut employer on peut citer les oxydes métalliques, tels que l'oxyde de chrome, l'oxyde de fer' et l'oxyde de manganèse ou les sels oxygénés, tels que les carbonates. Si on désire é- liminer le soufre, en même temps que le carbone, du ferrochro- me riche en carbone, la silice peut servir d'oxydant ou d'addition à l'oxydant. On a constaté que pour éliminer le soufre, la proportion d'oxygène introduite à l'état de silice doit être de préférence de plus de 10% de celle de l'oxygène combiné de l'oxydant.
Pour préparer le ferrochrome pauvre en carbone suivant l'invention, on commence par broyer le ferrochrome riche en carbone et l'oxydant choisi à un état d'extrême finesse, c'est-à-dire de préférence en particules d'une grosseur inférieure à 30 microns, puis on les mélange inti- mement. La proportion d'oxydant doit être au moins égale et
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de préférence légèrement supérieure à celle qui correspond à la quantité d'oxygène qui est nécessaire pour réagir avec la quantité de carbone qu'on désire, et l'éliminer à l'état gazeux du ferrochrome riche en carbone.
Après avoir mélangé la charge, on en forme de préférence des comprimés ou la transforme de toute autre manière en agglomérés comprimés mettant la charge sous forme de comprimés, on réalise un contact parfait entre les parti- cules réagissant entre elles, ainsi que les interstices né- cessaires à l'échappement des gaz de la réaction, en mettant également la charge sous une forme facile à manipuler. Des liants, tels que l'acide chromique et l'eau peuvent servir avantageusement dans la for-mation des comprimés.
Les comprimés peuvent être chargés dans un four à vide quelconque approprié et chauffé dans le vide ou sous pression réduite jusqu' à ce que le carbone- et le soufre aient été éliminés au degré qu'on désire. La température qui convient au chauffage des comprimés est supérieure à 11500C, et inférieure à la température à laquelle la charge en cours de réaction fond, c'est-à-dire inférieure à environ 14000C.
Les exemples suivants de la décarburation et de la d-ésulfuration du ferrochrome riche en carbone ont pour but d'indiquer les principes et le mode d'application de l'in- vention dans la pratique.
On mélange intimement 2120 parties en poids de fer- rochrome riche en carbone finement broyé ayant approximati- vement la composition suivante :
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Chrome 68,11%
Fer 26,81%
Carbone 4,72%
Soufre 0,12%
Silicium 1,46% et 276 parties en poids de roche siliceuse finement broyée contenant 99% de silice, avec 42 parties en poids d'acide chromique et 79 parties en poids d'eau et on forme par com- pression, avec le mélange, des agglomérés de forme ovale d'en- viron 3,18 cm de longueur, 2,225 cm de largeur et 1,84 cm d'é- p-aisseur. On sèche les comprimés,
on les charge dans un four et on les chauffe à une température comprise entre 1250 C et 1300 C sous une pression absolue d'environ 2 mm de mercure pendant environ 25 heures. La composition du produit final est environ la suivante :
Chrome 66,98%
Fer 25,54%
Carbone 0,01%
Soufre 0,009%
Silicium 6,20%
Silice 1,12%
Les comprimés préparés de la manière décrite ci- dessus sont sous une forme qui convient immédiatement à la préparation des alliages d'acier de qualité supérieure, en supprimant les opérations nécessaires d'élimination de la scorie et de classement propres aux procédés de préparation par fusion.
Le ferrochrome pauvre en carbone préparé suivant l'invention consiste en un aggloméré extrêmement compact, d'une porosité uniforme, possédant une forte cohésion, à grains fins, non friable et bien agglutiné, de forme et de grosseur déterminées. En raison des interstices qui séparent les particules agglomérées, la densité apparente du produit est plus faible que celle du ferrochrome pauvre encarbone obtenu
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par un procédé de fusion, propriété qui fait acquérir un avantage métallurgique notable au nouveau produit. Dans la qualité à 70% de chrome, la densité apparente est d'environ 6,1. La densité moyenne du produit peut varier entre 5,6 et 6,5 gr. par cmc suivant la composition et le degré de poro- sité. Le produit a une couleur métallique grise.
Les surfa- ces des cassures sont brillantes et ont l'aspect de grains fins au lieu de la structure à gros grains cristalline du ferrochrome pauvre en carbone préparé par fusion.
Il y a avantage à accélérer la réaction de décar- buration dans le vide du ferrochrome riche en carbone avec un oxydant à l'état solide pour diminuer la durée totale de séjour dans le four. On arrive à ce résultat en augmentant la température des réactifs. Cependant cette température est limitée par le c-ommencement de fusion du ferrochrome riche en carbone contenu dans les comprimés. Si la température initiale du four est supérieure à la température de commencement de fusion, la charge subit, une fusion partielle en interrompant la féaction prématurément par l'obstruction des portions interstitielles des comprimés et en empêchant ainsi les gaz mis en liberté de se dégager.
La figure unique du dessin ci-joint représente un diagramme type de la constitution du ferrochrome du commerce de la qualité à 70% de chrome. On remarquera sur ce diagramme que l'eutectique correspond à une teneur d'en- viron 2,7% de carbone et que la température de fusion de l'eu- tectique est d'environ 1265 C. '
On chauffe les comprimés à 70% de chrome, de ferrochrome riche en carbone et d'oxydant, à une température supérieure à 1265 C, mais inférieure à 1300 C, les surfaces
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extérieures des comprimés subissent une décarburation plus rapide que l'intérieur et lorsque la teneur en carbone- a diminué jusqu'à 2,7% la surface des comprimés fond en formant une pellicule qui empêche l'intérieur de continuer à se décarburer d'une manière efficace.
On constate qu'après ce traitement les comprimés ont presque fondu à l'intérieur et se composent , à l'intérieur, d'un mélange n'ayant)pas réagi analogue à la pierre. Pour remédier à cet inconvénient on peut décarburer les comprimés à une température inférieure à 1265 C, mais à cette basse température le traitement de décarburation se prolonge d'une manière excessive. la présente invention est basée en partie sur cette découverte qu'en règlant la variation de la température il est possible d'accélérer notablement la réaction, sans compro- mettre l'efficacité de la décarburation des comprimés, la variation de la température étant fonction de la teneur en carbone à chaque instant du traitement.
On voit sur le diagram- me de constitution du ferrochrome et du carbone que la tempé- rature de la courbe du solidus baisse à mesure que la teneur en carbone s'abaisse, et qu'elle monte 'brusquement lorsque la teneur en carbone diminue au-dessous de sa valeur correspondant à l'eutectique. Par suite, on peut augmenter la température de la charge au fur et à mesure des progrès de la décarbura- tion sans risque de fusion, pourvu que la température du soli- dus ne soit pas notablement dépassée. Dans la pratique, la température du traitement peut être légèrement supérieure à la courbe du solidus pendant la première partie de la décar- buration, et elle doit diminuer au-dessous du point de fusion du produit au moment où la teneur en carbone eutectique est sur le point d'être atteinte.
Puis lorsque cette teneur est
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devenue inférieure à la teneur eutectique, la température peut redevenir supérieure à celle de la courbe du solidus et peut même tendre vers la température de la courbe du liquidus dans la dernière partie de la réaction, lorsque la teneur en carbone est faible. Cette augmentation de la température dans la dernière partie de la réaction est possible, car si le produit résiduel à forte teneur en carbone fondait à ce moment, sa quantité serait insuffisante pour obstruer les espaces interstitiels des c-omprimés et empêcher ainsi la décarburation de s'effectuer d'une manière efficace.
On a constaté par exemple que lorsqu'on traite des comprimés de ferrochrome riche en carbone et d'oxydant, à 70%ae chrome, la température du solidus peut être dépassée jusqu'à atteindre une température maximum d'environ 1500 C dans la première partie du traitement de décarburation, lorsque la teneur en carbone du ferrochrome en un point quel- conque de la charge est supérieure à la teneur eutectique (environ 2,7% de carbone), sans provoquer unelfusion partielle suffisante pour obstruer les interstices et par suite détruire la prosité des comprimés.
Lorsque la teneur en carbone à la surface des comprimés devient voisine de la teneur eutec- tique, la valeur de la température devient critique en raison du point de fusion relativement net du produit et la tempé- rature du traitement doit s'abaisser au-dessous de la tempé- rature eutectique (environ 1265 C).
Etant donné que les compri més se décarburent progressivement à des vitesses différentes dans les différentes portions de la charge, la température du chauffage doit être maintenue inférieure à 1265 C (ou à la température de fusion de l'eutectique correspondant à d'autres compositions) jusqu'à ce que la teneur en carbone des
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portions de la charge, dont la température est très voisina de celle du four soit en tous les points inférieure à la teneur eutectique et à ce moment, on pe-ut de nouveau élever la température du four au-dessus de la courbe du solidus et, lorsque la teneur en carbone est faible, la température peut devenir voisine de celle de la courbe du liquidus en raison de la, diminution de la proportion de l'élément à point de' fusion plus bas.
Cependant, on doit avoir soin d'élever la température pendant cette dernière période à une vitesse assez basse pour que le commencement de fusion n'empêche pas la -charge de continuer -à se décarburer.
Une autre application importante de l'invention- @ consiste dans la préparation des aciers et alliages contenant du (chrome. Un des buts qu'on se propose toujours d'atteindre -dans la fabrication des alliages d'acier consiste à trouver un moyen d'abréger la durée de la fabrication. Une plus cour- te durée de la fabrication permet de réaliser une économie de main-d'oeuvre, une augmentation correspondante de la pro- duction de l'usine, pour une capacité de four donnée, et, en outre, de limiter les pertes en produits d'addition d'alliage dues à l'oxydation à la haute température à laquell- s'effectue la fabrication de l'acier. L'invention permet de satisfaire à cette condition à propos de la fabrication des aciers au chrome.
L'avantage résultant de l'application de l'inven- tion à la fabrication de l'acier inoxydable ressort de la comparaison d'une série de coulées fabriquées par le procé- dé courant dans la pratique industrielle avec du ferro-chrome pauvre en carbone préparé par fusion, avec une série de cou- lées au cours desquelles le ferro-chrome a été incorporé au
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moyen des comprimés de plus faible densité décrits ci- dessus. Toutes les coulées ont été effectuées dans un four électrique basique de fusion de l'acier et pesaient environ 295 kg. La quantité de ferro-chrome ajoutée à chaque coulée était d'environ 77 kg.
Le temps moyen nécessaire à l'intro- duction du ferrochrome pauvre en carbone, broyé, préparé par fusion dans chaque coulée a été de 35 minutes par compa- raison avec 26,6 minutes seulement pour les comprimés de ferro-chrome de plus faible densité. Le temps minimum .néces- saire à l'introduction du ferra-chrome préparé par fusion dans une coulée quelconque a été de 30 minutes au lieu de 21 minutes avec les comprimés en ferrochrome de plus faible quantité. La quantité moyenne de chrome introduite dans les coulées avec le ferro-chrome préparé'par fusion a été de 96% au lieu de 97,7% pour les coulées préparées avec les comprimés de ferro-chrome de plus faible densité.
Le procédé suivant l'invention peut être appliqué, non seulement à la fabrication des aciers contenant du chrome, mais encore à celle d'alliages à haute température contenant du chrome et d'autres alliages dans lesquels la teneur en fer est inférieure à 50% de l'alliage total.