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PROCEDE DE REDUCTION DES OXYDES METALLIQUES EN LEURS METAUX
CORRESPONDANTS.
Cette invention se rapporte à la réduction des oxydes métalli- ques en leurs métaux correspondants et concerne plus particulièrement la réduction de ces oxydes par fusion avec des agents réducteurs tels que le carbone le silicium, etc.. qui ont tendance à se combiner avec le métal réduit et-dont des quantités considérables demeurent donc dans le métal réduit sous la forme dimpuretés Linvention a plus spécialement pour objet un procédé de fu- sion de l'oxyde de fer en vue de la production directe, sans épuration ul- térieure, d'un fer de qualité supérieure sensiblement exempt d'impuretés telles que le carbonele silicium., le soufre,
le phosphore ou un consti- tuant nuisible quelconque de 1?agent réducteur 'employéo
Le but principal de 1?invention est de fournir aux métallur- gistes un procédé pour la fusion de minerai d9oxyde de fer de qualité su- périeure sensiblement exempt d9impuretés nuisibles et d'éléments délétères comme le soufre et le phosphore dans des conditions telles que des impure- tés nuisibles ne se trouvent pas introduites au couns du processus de ré- duction et qu9ôn obtienne comme produit un métal pur.
On sait que le carbone a une grande affinité pour de nombreux métaux comme le fer, le chromele molybdène le vanadium, le tungstène, le titane, etc.,, Aussi quand on fait fondre de 1?oxyde de fer de qualité supérieure ou bien un minerai à base d9oxyde de fer de ce genre en utili- sant du coke comme agent réducteur, le métal résultant a une haute teneur en carbone. Si l'oxyde initial contient de la silicecelle-ci est égale- ment réduite, et une forte proportion de silicium se retrouve dans le mé- tal réduit à 1?état d'impureté. Mais la présence d9une notable quantité de silicium tend à réduire la teneur en carbone du métal résultant.
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Dans le brevet américain N 854.018 déposé le'23 septembre 1905
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au nom de Beckett est décrite la production de ferro-allîàées*à teneur re- lativement faible en carbone et en silicium en partant d'une matière conte- nant principalement de 1?oxyde de chrome et de 1-'oxyde ferreux et en fai- sant fondre cette matière avec du ferro-silicium. Diaprés ce qui est in- diqué dans ce brevet, si 1?on emploie une quantité de silicium suffisante pour réaliser une réduction complète des oxydes de fer et de chrome, une analyse représentative du ferro-chrome montre que le métal réduit contient
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z50% de carbone et 0910 de silicium.
Dé plus ce brevet indique (cf. page 2, lignes 8 à 12) que si l'on a besoin dans 1?alliage d'une très fai-
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ble teneur en silicium (inférieure à 0,2%) il faut diminuer la quantité d9agent réducteur employée, ce qui se traduit par un sacrifice corrélatif de la quantité de métal qu-on recueille.
Une autre méthode qui a été préconisée pour la production des ferro-alliages à teneur relativement faible en carbone et en silicium est celle qui est décrite dans le brevet américain N 906.854'déposé le 19 juin 1906 au nom de Beckett. Cette méthode consiste à faire fondre le minerai
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à base d9cyde métallique en présence d-un mélange de carborie et de si-U- cium9 en utilisant le carbure de silicium comme agent réducteur. Ce bre- vet indique également (cfo page 29 lignes 19 à ?1.) que si 1?on veut obte- nir une trèa faible teneur en silicium (inférieure à 05)2%) dans 19alliage, il faut prévoir une déficience en agent réducteur, ce qui a pour consé-
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quence une diminution de la quantité de métal qu9on recueille.
La'même méthode appliquée spécialement à la production du vanadium et de ses al- liages est décrite dans le brevet américain N 858.325 déposé le 19 juin 1906 également au nom de Beckett.
Ceci dit, la présente invention fournit un prqdédé pour la
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fusion des oxydes métalliques ou des minerais d-oxydes métalliques de qua- lité supérieure en présence d-lun agent réducteur combiné nouveau apte à être employé avec un excès considérable par rapport à celui qui est théo-
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riquement nécessaire à 1?obtention d-lun rendement maximum en métal con- tenant une quantité sensiblement plus faible d?impuretés nuisibles comme le carbone et le silicium que cela n'a été précédemment possible.
Ce nouveau procédé est fondé sur cette découverte que si 1?on utilise le charbon de bois selon certaines proportions en conjonction
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avec un alliage d9aluminium et de ferro-siliaiun, il forme un-agent réduc- teur combiné ou compositè'capable de fournir des résultats avantageux et surprenants pour la réduction et la fusion des'oxydes métalliques.
C'est ainsi que si )?on mélange et qu'on fasse fondre un minerai d9oxyde métal-
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lique de bonne qualité avec un fondant approprié en présence d9un agent réducteur composite formé de charbon de bois et d'un alliage d9aluminium et de ferro-silicium dans des proportions telles que le charbon de bois
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soit calculé pour se combiner avec le même poids d9oxygène que les propor- tions combinées d9aluminium et de silicium pour former de 19oxyde de car- bone de 1?àlumine et de la silice, on obtient du fer ou de 1?acier de bonne qualité contenant des quantités négligeables de carbonede silicium, d'aluminium., de soufre et de phosphore,
même si l'on utilise un excès im-
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portant d"agents réducteurs combinés par rapport à la quantité théorique calculée en vue d-une réduction complète de 1?oxyde de fer.
Ci!est là un fait qui est particulièrement surprenant car on sait que la simple fusion de l'oxyde de fer avec un agent réducteur simple- ment formé de charbon de bois ne donne pas de résultats satisfaisants.
Une analyse typique d'un pareil produit à base de fer ou d9acier obtenu
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en utilis'ant un excès égal à 20%\ de 19agent réducteur combiné révèle 0022% de carbones une trace de siliciums 09022 de phosphore, 0024 de soufre une trace de manganèse et une trace daluminium.
Les avantages du présent procédé résident dans la production directe, sans épuration ultérieure d'un métal extrêmement pur, avec un
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rendement élevé. On peut d?ailleurs utiliser d9autres formes de carbone sensiblement pur à la place de charbon de bois., et d9autres matières aptes
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à réduire l'oxyde métallique en son métal correspondant peuvent être em- ployés à la place de l'aluminium et du ferro-silicium avec des résultats comparables.
Le présent procédé consiste à faire fondre un oxyde métalli- que ou un minerai d'oxyde métallique (tel qu'un minerai d'oxyde de fer de bonne qualité) en présence d'un fondant tel que la chaux et d'un agent ré- ducteur combiné formé de carbone sensiblement pur et finement divisé (tel que du charbon de bois) et d'un autre agent réducteur solide finement divi- sé apte à réduire l'oxyde métallique en son métal correspondant pour pro- duire une masse fondue contenant les scories et le métal.réduit.. Le car- bone et l'autre agent réducteur doivent être employés suivarit-les propor-' tions spécifiées ci-après, Mais il est cependant préférable de faire Ton- dre un mélange de 1?oxyde métallique,
du fondant et de lagent réducteur combiné dans un four électrique approprié pour produire une masse fondue à une température légèrement supérieure à la température de fusion du mé- tal réduit et d'amener continuellement ce mélange à l'état finement divisé sur la masse fondue aelon un débit réglé tout en souritant le métal fondu et le laitier continuellement ou à des intervalles de temps convenables et en séparant le-métal et le laitier par des moyens connus. La composition et la quantité de fondant employée dépendent de la quantité et de la natu- re des impuretés qui se trouvent dans l'oxyde métallique ou le minerai d'o- xyde métallique qu'il s'agit de réduire et aussi de la composition du gar- nissage du four comme le comprendront les techniciens.
L'agent réducteur combiné auquel il semble qu'il faille aceor- der la préférence est un mélange de charbon de bois finement divisé et d'un alliage, lui aussi finement divisé d'aluminium et de ferro-silicium, selon les proportions précédemment indiquées ou à peu près.
Toutefois, des ré- sultats comparables peuvent être obtenus, quand on fait fondre des oxydes métalliques, en utilisant un agent réducteur combiné ou composite essentiel- lement formé de carbone sensiblement pur (tel que le charbon de bois) et d'un autre agent réducteur tel que le ferro-silicium allié à l'aluminium dans des proportions relatives telles que le carbone soit calculé pour se combiner avec 45 à 85% en poids environ d'un poids donné d'oxygène, tandis que l'autre agent réducteur (tel que le ferro-silicium allié à l'aluminium) est calculé de manière à se combiner avec 15% à 55% environ en poids de ce poids donné d'oxygène. Parmi les autres agents réducteurs qu'on peut utiliser à la place de l'alliage de ferro-silicium et d'aliminium, on peut mentionner l'aluminium,
le silicium et le ferro-silicium ainsi que les agents réducteurs comme le calcium, le magnésium, etc.. qui ont une moin- dre affinité pour les métaux tels que le fer, le chromele nickel, le molybdène, le tungstène,le titane;, etc.. que le carbone, le silicium et 1-l'aluminium.
L'agent réducteur combiné peut être employé en une quantité suffisante, en excès par rapport à la quantité théoriquement requise pour réaliser une réduction complète de l'oxyde métallique pour ssurer un rendement élevé de valeur satisfaisante en métal de grande pureté. Une quantité approximative de 20% en sus de celle qui est théoriquement néces- saire usuellement suffit à assurer un rendement élevé en métal de grande pureté. Mais,dans la plupart des cas, on peut employer une quantité sen- siblement plus grande, pouvant dans certaines circonstances atteindre 40% en excès sans augmenter de façon appréciable les quantités d'éléments nui- sibles dans le métal récupéré.
La quantité minimum de l'agent réducteur combiné qu'on peut utiliser sans augmenter sensiblement les proportions d'élé- ments nuisibles dans le métal qu'on recueille varie avec les proportions rela- tives des constituants de cet agent réducteur combiné ou composite.
Le présent procédé se prête de façon particulièrement heureu- se à la production de fer ou d'acier de qualité supérieure par réduction directe d9un oxyde de fer ou d'un minerai d'oxyde de fer de bonne qualité.
Il existe dans l'industrie métallurgique de nombreux usages pour un fer ou un acier extrêmement par. Pour nombre de ces usages un produit ayant
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une teneur totale en carbone et en silicium s9élevant jusqu-"a"0,20'est à' rejeter. Par contre, on peut par le procédé que prévoit"l'invéntion obte- nir un fer ou un acier extrêmement pur dans lequel les quantités totales @ de carbone et de silicium ne totalisant pas plus de 015% en poids et'dans lequel,au surplus., la quantité de carbone ou de silicium ne'dépasse pas'
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0,la# en poids.
Le présent procédé est applicable pour faire fondre d9aû= tres oxydes métalliques ou minerais d9oxydes métalliques contenant une qûan- .tité notable ou prédominante d9un oxyde d'un métal autre que le fer comme le chrome, le molybdène, le tungstène, le vanadium, le nickel., le cobalt, etc.. en vue de la production d9un alliage ferreux. Si l'oxyde métallique ou le minerai réduit est de bonne qualité, on peut obtenir de la sorte un métal ayant une pureté comparable à celle indiquée ci-avant.
L9invention est mise en évidence, au surplus, par les exemples particuliers qui sont indiqués ci-après
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EJ#MPLE la-
On traite ici du minerai de magnétite de bonne qualité broyé à une finesse inférieure à celle qui correspond à un maillage de tamis n 10. L'analyse de ce minerai permet d'y déceler 55% de fer soluble dans un acide, 5% de silice et 30% d'oxygène sous la forme d90xyde de fer. L'a- gent réducteur employé est-un mélange de charbon de bois (broyé à une fi- nesse inférieure à celle correspondant à un maillage de tamis n 1000 con-
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tenant 95% de carbone et d'alliage de ferro-silicium et d9aluuinium (de finesse également inférieure à un maillage de tamis n 100) contenant 65% de silicium, 10% d9aluminium et 25% de fer.
Le fondant employé est de la chaux vive (100% de CaO).
La charge de matière comprend 1000 kilos de minerai de magné-
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tite, 11$,. kilos de charbon de bois 175 kilos d9alliage de ferro-silicium et d9aluminium et 170,9 kilos de chaux vive. La quantité de charbon de bois employée est calculée de manière qu'il se combine avec la moitié du poids de l'oxygène combiné avec le fer du minerai. La quantité d'alliage
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de ferro-silicium et d$aluminium employée est calculée de manière à lui permettre de se combiner avec 1?autre moitié du poids de l'oxygène combiné avec le fer du minerai. On mélange intimement ces diverses matières, puis on introduit continuellement ce mélange dans un four électrique à arc fonctionnant sur courant monophasé pourvu d'un garnissage en magnésie ré- fractaire et de deux électrodes en graphite.
On déverse continuellement la charge fondue formée de laitier et d'acier dans un récipient où se pro- duit une séparation à 19'état liquide du laitier ét de 1-'acier. On coule
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le laitier sous 1IL forme de tourteaux et l9acier sous la forme de lingots.
L'acier est traité de la manière usuelle par une addition d'une petite quantité de silicium, par exemple de ferro-silicium, avant de faire couler 19acier dans les lingotières.
Voici les quantités des deux éléments qui s9écoulent hors du four :
624,37 kilos d9 acier 5553 kilos de laitier
Le rendement en métal est de 90% et ce métal contient 9,02% de carbone, une trace de silicium, 0,025% de phosphore, 0,020% de soufre,
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une trace de manganèse et une trace dsaluminium.
EXEMPLE 2.-
On procède comme indiqué dans l'exemple 1, sauf qu'on emploie un excès égal à 20% d'agent réducteur sans modifier par ailleurs les pro-
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portions relatives de charbon de bois. et d'allage de ferrq-eilicium et d9al-uminium. La charge est donc formée ici de 1000 kilos de minerai de magnétite, 142 kilos de charbon de bois, 210 kilos d'alliage de ferro-si- licium et d9aluminium ayant la même composition et 180,6 kilos de chaux
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vive. La cons-ommation des électrodes par usure représente 6,5 kilos. On
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obtient un rendement de métal égal à 94%.
Ce métal contient 0,022% de carboneune trace de silicium0,022% de phosphore,.0,024% de soufre, une trace de manganèse et une trace d'aluminium. Lagent réducteur en excès ' utilisé augmente notablement le rendement sans accroître la quantité d'im- puretés. Si ,l'on procède sur une 'échelle industrielle, le rendement en'mé- tal augmente, tandis que les pertes par fusion diminuent. Il s'agit alors principalement de pertes par dégagement de poussières.
Les quantités de charbon de bois et d'alliage de ferro-sili- cium et d9aluminium employées dans ces exemples sont calculées sur la base des quantités nécessaires suivant les équations suivantes :-
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C + 0 ####### 00 Si + 02 >' Si02 et l'on suppose alors que l'aluminium contenu dans l'alliage de ferro-si- licium et d'aluminium est du silicium.
On utilise ce mode opératoire pour des raisons de commodité pratique étant donné que dans ces exemples la dif- férencè entre les quantités calculées suivant ce procédé et suivant le pro- cédé classique est néligeableo
Les constituants de l'agent réducteur combiné doivent être sen- siblement exempts d9éléments tels que le soufre et le phosphore qui ne sont pas des agents réducteurs de l'oxyde métallique à réduire et dont la pré- sence a, comme on le sait, un effet nuisible au sein du fer, de l'acier et de leurs alliages..
L'expression "carbone sensiblement pur" qui se trou- ve dans le présent texte signifie le carbone sous une forme sensiblement exempte d'éléments tels que le soufre et le phosphore, qui ne constituent pas des agents réducteurs de l'oxyde métallique à réduire et dont on sait que la présence a un effet nuisible dans le fer, l'acier et leurs alliages.
Mais il doit être entendu que le carbone combiné à un autre élément ayant un pouvoir réducteur sur l'oxyde métallique comme le carbure de silicium, le carbure de calcium, etc.. peut également trouver une application ici.
C'est ainsi qu'on peut utiliser un agent réducteur combiné formé de car- bure de silicium et de charbon de boisa
REVENDICATIONS. la- Procédé de fusion d'un minerai formé d'oxyde de qualité supérieure consistant à faire fondre ce minerai en présence d'un fondant et d'un agent réducteur tendant à se combiner au métal de l'oxyde et à pro- duire une masse fondue formée de laitier et du métal de l'oxyde, caracté- risé par le fait que l'agent réducteur est formé essentiellement de car- bone sensiblement pur à l'état finement divisé et d'une matière non car- bonée à l'état finement divisé capable de réduire l'oxyde métallique en métal,
en des proportions relatives telles que la quantité de carbone soit calculée de manière qu'il se combine à environ 45 à 85 % en poids d'un poids donné d'oxygène pour former de l'oxyde de carbone, la quantité de matière étant calculée de manière telle qu'elle se combine à environ 55 à 15% en poids de ce poids donné d'oxygène pour former un oxyde de la matière considérée, et par le fait que l'on produit un métal dans lequel la quantité de carbone et de silicium combinés ne dépasse pas 0,15%, la quantité de carbone ou de silicium seul ne dépassant pas 0,10%.