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.PROCEDE ,DE .FABRICATION .DES,ALLIAGES D'ALUMINIUM - .SILICIUM.
La présente invention concerne la fabrication d'alliages d'alumi- nium et de silicium par réduction de matières naturelles consistant essentiel- lement en oxydes de silicium et d'aluminium tels que l'argile, par du carbone, dans un four électrique.
On sait depuis longtemps qu'on peut fabriquer des alliages d'alu- minium-silicium en chauffant de'l'argile ou des mélanges d'argile et de matières telles que la bauxite, le gravier ou le sable avec une quantité suffisante de carbone sous forme de coke ou de charbon de bois, à titre d'agent réducteur, pour convertir la charge par réduction en un alliage d'aluminium et de silicium contenant de petites quantités d'autres constituants métalliques susceptibles d'être présents à titre d'impuretés., L'opération est ordinairement réalisée dans un four électrique à cause de la température élevée qu'exige la réduction. La chaleur est produite par la résistance qu'offre la charge au passage du courant et par l'arc élec- trique.
Lorsque la température nécessaire est atteinte, la réduction commence et les métaux réduits se rassemblent au fond du four sous la forme d'un bain fondu.
. Les alliages d'aluminium-silicium sont utiles à titre d'agents ré- ducteurs dans la désoxydation de l'acier. On a trouvé qu'ils sont aussi utiles comme agents réducteurs pour obtenir le magnésium à partir de la dolomie, La fabrication des alliages d'aluminium-silicium est semblable, à de nombreux égards, à celle des ferro-alliages tels que le ferro-silicium. On utilise les marnes types de four et la plupart des conditions dé travail sont. analogues. Une des différences réside dans la quantité de carbone de l'électrode consommée dans la réduction.
Par exemple, dans la fabrication du ferro-silicium, la' consomma- tion en électrode est comprise entre 50 kg et 59 kg.par tonne de produit pour une charge contenant approximativement la quantité de carbone stoechiométriquement
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nécessaire pour réduire à l'état de leurs métaux correspondants les oxydes mé- talliques de la charge avec dégagement d'une quantité'équivalente d'oxyde de carbone.
Au contraire, comme il est indiqué dans le brevet des E.U.A. n 2,488.568 du 22 Novembre 1949, une opération de réduction réalisée en vue d'obtenir un alliage d'aluminium-silicium et conduite dans un four électrique sur une char- ge contenant des proportions correspondantes de coke se traduit par une consom- mation d'électrode de plus de 227 kg par tonne d'alliage, outre qu'il se déve- loppe dans le four des conditions qui obligent à interrompre la marche du four au bout d'un temps relativement court. Cette consommation élevée du carbone des électrodes et la difficulté d'assurer un fonctionnement continu du four ont été jusqu'à ce jour les inconvénients principaux de la fabrication des al- liages d'aluminium-silicium.
Le brevet sus-mentionné décrit une variante du procédé de fabrica- tion au four électrique d'alliages d'aluminium-silicium qui diminue la consom- mation du carbone des électrodes. Ce brevet décrit la réduction d'une argile dont la composition est la suivante : alumine, environ 44,5 %; silice, environ 50,7 %; oxyde ferrique, environ 0,9 %; oxyde de titane, environ 2,8 %. On ef- fectue la réduction à une température de l'ordre de 2000 C, en maintenant de préférence la résistance périphérique des électrodes entre 0,12 et 0,14 ohms- cm.
La consommation en carbone de l'électrode peut être réduite à une valeur de l'ordre de 124-130 kgs par tonne d'alliage produite par l'utilisation d'un mélange de ladite argile avec du coke, à titre d'agent réducteur, en quantité comprise entre environ 70-75 % de celle théoriquement nécessaire pour convertir en métal le total des oxydes présents. Le brevet mentionne que la consommation en électrode s'abaisse brusquement à mesure que la proportion d'agents réduc- teurs diminue, depuis 85 % environ jusqu'à un minimum qui est atteint au voisi- nage de 70-75 % de la quantité théorique nécessaire.
La présente invention est basée sur la découverte surprenante qu'on peut effectuer une réduction considérable de la consommation en carbone d'élec- trode, dans la réduction par du carbone au four électrique d'une charge compo- sée essentiellement de silice et d'alumine, si la charge à fondre contient une quantité importante d'oxyde de fer et/ou d'oxyde de nickel. La Demanderesse préfère actuellement une charge contenant de 6 à 20 % ènviron en poids de l'un ou de l'autre de ces oxydes ou de leurs mélanges. Elle a aussi découvert qu'on peut effectuer une nouvelle réduction de la dépense en carbone d'électrode si la teneur en alumine de la charge ne dépasse pas environ 25 % en poids.
Dans ces conditions, on obtient une marche régulière du four lorsque la quantité de carbone contenue dans la charge à titre d'agent réducteur est comprise entre 80 et 100 % ou davantage de la quantité théorique qui est nécessaire pour ré- duire toute la teneur en oxyde de la charge. On a.aussi réussi à faire travail- ler le four à une température plus basse, telle que la température du métal au moment de sa coulée soit inférieure à 1500 C, ce qui réduit au minimum les inconvénients dus, à une volatilisation d'alumine excessive. Dans ces conditions, on est parvenu à faire travailler :Le four régulièrement avec une dépense en carbone d'électrode aussi faible que 52 kg par tonne d'alliage produite.
Dans la mise en oeuvre de la présente invention, on peut régler la composition de la charge en ajoutant à la matière première à base de silice et d'alumine naturelles - et en malaxant avec cette matière - là quantité né- cessaire d'oxyde de fer et/ou d'oxyde de nickel de manière à porter leur teneur en oxydes à une valeur comprise entre 6 et 20 % environ en poids. Si on le désire,on peut ajouter et mélanger avec la charge une quantité de silice pro- pre à réduire la teneur en alumine de cette charge à une valeur inférieure à environ 25 % en poids.
L'invention permet d'obtenir des alliages utiles de silicium, d'aluminium et de fer ou de nickel en fondant une charge contenant de préférence 6 à 20 % d'oxyde de fer et/ou de nickel, 8 à 25 % d'oxyde d'alu- minium,40 à 55 % de silice et une quantité de carbone comprise entre 80 et 100 % ou davantage de la quantité théoriquement nécessaire pour réduire en mé- tal la quantité totale'd'oxyde présente, le reste de la charge comprenant les impuretés contenues dans les matières premières. De préférence, la teneur en alumine de la charge sera au moins de 10 % environ et au plus de 20 % environ.
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Au cours des recherches de la Demanderesse,celle-ci a été surprise de constater qu'une charge composée principalement de schistes graphitiques peut être fondue conformément à l'invention. Les schistes graphitiques contien- nent des quantités variables de graphite naturel qui se comporte comme un ré- ducteur efficace., Dans certains cas., ces schistes contiennent une trop grande quantité de graphite pour l'opération de fusion, et il faut alors -régler la composition de la charge en ajoutant une quantité convenable d'oxyde de fer, d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de silicium, de manière à porter les teneurs de la charge en ces oxydes et en carbone à des valeurs comprises dans les li- mites convenant pour la mise en oeuvre de l'invention. Si la quantité de gra- phite contenue dans le schiste utilisé est trop faible,
on peut ajouter une quantité convenable de coke ou de charbon de bois.
Cette découverte que le graphite naturel se comporte comme un réduc- teur efficace dans l'opération de fusion est surprenante pour deux raisons.
On sait que le graphite naturel est chimiquement moins réactif que le carbone amorphe, tel que le coke ou le charbon.de bois. Par exemple, la revue "Cana- dian Department of Mines Publication" N 511 (1920), page 4, contient le passa- ge suivant : "Une autre façon de distinguer le graphite et le coke ou le char- bon de cornue consiste à noter le comportement de ces matières lorsqu'elles sont fondues avec du sulfite de sodium. Le graphite ne réduit pas ce sel, alors que le coke ou le charbon de cornue réagissent très activement avec lui". Bien que le carbone d'électrode soit quelquefois dénommé "graphite" et constitue un agent réducteur efficace pour les matières à base de silice et d'alumine, il s'obtient en chauffant le coke à une température élevée et diffère essentiel- lement du graphite naturel.
Le graphite et le coke ou le carbone d'électrode sont des formes allotropiques différentes du carbone.
Il est aussi bien connu que la conductivité électrique du graphite naturel est sensiblement inférieure à celle du carbone amorphe. Dans son Traité sur la chimie inorganique et théorique, volume V. page 718, Mellor écrit : "la conductivité thermique du graphite est normale, alors que sa conductivité élec- trique est anormale. L'explication n'est pas connue". A la page 719, Mellor donne pour la conductivité électrique du graphite la valeur 0,082 x 104 et pour celle du carbone amorphe la valeur 0,25. Le graphite naturel des schistes gra- phitiques est uniformément distribué dans le schiste spus une forme très fine- ment divisée, de l'ordre de particules de 74 microns.
Sous cette forme, plus spécialement en raison du fait que la conductivité électrique du graphite na- turel est, comme on le sait, assez faible, rien ne pouvait laisser prévoir que le graphite du schiste posséderait les propriétés électriques requises pour se comporter d'une manière efficace dans un procédé de fusion.
Dans un essai, on a chauffé à environ 1400 C un four électrique monophasé de 150 kw équipé de deux électrodes de carbone ordinaires de 152 mm - de diamètre. Au cours d'une période de 24 heures, une charge de 1.021 kg con- tenant 49,3 % de silice, 12,3 % d'alumine, 12,44 % d'oxyde-ferrique et 21,8 % de carbone fixe a été introduite dans le four. Le carbone fixe de la charge provenait entièrement du graphite naturel contenu dans le schiste graphitique utilisé et représentait 81,1 % de la quantité théoriquement nécessaire. On a coulé par intervalles le métal qui se rassemblait à la base du four et obtenu un total de 233 kg de métal contenant 61,1 % de silicium, 13,2 % d'aluminium et 24,6 % de fer.
La température du métal était de 1470-1490 C à sa sortie du four. Il restait dans le four environ 336 kg de charge non fondue. L'éner- gie utilisée a été de 12,75 kwh par kilo de métal produit. La consommation en-carbone d'électrode a été de 52 kg environ par tonne de métal produit. L'u- nion intime des particules de graphite et d'oxyde à l'intérieur du schiste sem- ble présenter un avantage particulier. Le rendement en métal a été de 88 % environ.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la Demanderesse a découvert que la charge peut être fondue dans un four électrique dans lequel une ou chacune des électrodes ordinaires sont remplacées par une électrode nou- velle dont une portion importante est faite d'un schiste graphitique contenant environ 15 à 30 % de graphite naturel. Cette électrode comprend un tube d'acier ayant un diamètre convenable qui varie selon les dimensions du four. On intro-
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duit dans le tube un mélange d'environ 10-75 % en poids de schiste graphitique et du carbone à électrode prépare de la manière-habituelle, auquel est incorpo- rée une certaine quantité d'une matière bitumineuse, telle que le goudron ou l'asphalte, à titre de liant, et on durcit ce mélange.
Ces électrodes peuvent remplacer les électrodes supérieures ou verticales du four de fusion électrique ordinaire, lequel comprend une enveloppe' en acier revêtue d'un garnissage inté- rieur réfractaire convenable, les trous de coulée habituels et une électrode inférieure en carbone. Si on le désire,l'électrode inférieure peut être faite d'une matière ayant la même composition que l'intérieur des électrodes supérieu- res, à savoir d'un mélange de schiste graphitique, du carbone à électrode ordi- naire et d'un liant bitumineux. L'avantage principal que présente l'utilisation de cette nouvelle électrode conforme à l'invention réside dans le fait que le schiste de l'électrode se trouve fondu dans la zone la plus chaude du four et qu'il est réduit à l'état de métal.