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Cette invention ;:;O(};O:11e des améliorations Cia i.;c'.'1;-?ç réf ractaireg en silice par :az :¯¯.C brigues et autres aï'ia.î' . oui possèdent non i':5,".ïï''.'t.'C les propriétés oui caractérisent les matières réfractsires en f:¯.:..'4'-? contras.- IV!)-' - cul -'1 ont également;, en comparaison;, 'une meilleure résistance à P abre.f3:1.on et à l'érosion et une résistance améliorée au?; chocs th'2rr:':;ioues.
Les réfracte:1.res en silice sont largement utilisés dans les industries métallurgirJ11.es; chimi.i1ues et autres P 0ause (le
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certaine0 propriétés recherchées, en particulier- leur point de
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fusion élevé et leur aptitude à supporter dos charges à des tempé- ratures élevées. Ler tendance à éclater à la suite d'un choc thermique, après chauffage ou refroidi s sèment trop '!'d'CCL' constitue
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une limitation à leur emploi.
Dans l'industrie métallurgique, les briques en silice sont utilisées pour la construction des toits de fours et, dans une large mesure, pour la construction des murs des fourneaux pour aciers à foyer ouvert. Les murs extrêmes sont souvent particulière- ment exposés parce qu'ils sont sujets à une usure considérable par abrasion et érosion. Ceci est dû au fait que les gaz effluents décrivent un angle aigu en sortant de la chambre de fusion. En plus, ces gaz qui se déplacent à des vitesses relativement élevées et contiennent des poussières riches en oxydes de fer, effectuent ce changement de direction sur une distance relativement courte et ainsi les particules grossières portées par le courant gazeux poussiéreux passent sur les parois réfractaires qu'ils usent-assez rapidement.
Lorsque ces murs extrêmes sont construits fin briques en silice connues ils ne vivent que quelques semaines, quoique la toiture du fourneau qui subit des températures bien plus élevées, puisse durer deux fois plus longtemps.
Un autre service en matières réfractaires dans lequel l'abrasion est un problème dominant et sérieux est le four à coke.
Dans de tels fours, le charbon est'cuit dans des chambres vertica- les-étroites et lorsque la cuisson est terminée, un poussoir . mécanique force le coke hors du four en le déplaçant à travers toute la longueur de chaque four, généralement environ 12 mètres.
Le coke chaud est très abrasif et en se déplaçant à travers la chambre de cuisson il tend à user les parois en briques réfrac-. taires. Les usines de matières réfractaires sont constamment conscientes de ces problèmes et s'efforcent de produire des produits denses et plus résistants à l'usure.
Les briques en silice sont fabriquées partir de roches silicatées de types variés, décrits comme ganister, quartzite et pierre de quartz. On peut utiliser une certaine proportion de sable quartzeux. Ces matériaux, broyés et moulus à un degré spécifique, conformément à leur emploi et aux relations connues dans le - commerce, sont habituellement mélangés avec de l'eau et un liant
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qui consisté en chaux hydratée à des proportions correspondant à environ 2% de CaO. La masse est ensuite formée en briques;, par pression ou à la main, qui sont séchées et cuites.
La chaux est un liant à double but. C'est ainsi que son hydrate assure la résistance à sec et la combinaison de CaO avec la silice anrès la cuisson donne des silicates qui donnent au produit cuit beaucoup de sa tenue finale. La chaux sert aussi à favoriser la transformation du quartz en cristobalite et trydimite. formes minérales de silice oui prédominent dans la. briaue silicatée cuite.
Quelquefois la tenue des briques non cuites est ercore améliorée par l'emploi de liants temporaires supplémentaires,par exemple une liqueur usée de sulfite.
L'oxyde de fer est utilise occasionnellement comme adjuvant dans la. fabrication des briques en silice, avec ou sans chaux hydratée, à des quantités variant entre quelques dixièmes de pour cent jusqu'à 1%. Son premier effet est celui d'un minéralisant pour favoriser encore l'inversion en tridymite, mais il a certaines influences favorables sur d'autres propriétés, comme la force de liaison.
Quoiqu'on ait étudié l'emploi d'addition d'oxydesde fer supérieures à 1%,on a trouvé que ces additions ont une utilité plutôt limitée, à cause de l'effet inverse sur le caractère réfrac- taire ou le noint de fusion de la brique obtenu. Il est possible eue cet inconvénient soit un phénomène, de réduction, ou de toute autre façon en rapport avec le degré. d'oxydation de l'oxyde de fer, qui se transforme de l'état ferrioue à l'état ferreux à température élevée.
Ainsi lorsqu'on ajoute $% d'oxyde de fer à un mélange de briques en silice de composition standard (avec 2% de CaO), la bri- aue obtenue fondra lorsqu'elle est chauffée vers 1650 C, ce qui est inférieur à la température normale de travail des fourneaux d'acier à foyer ouvert. Par contre, l'invention concerne des compositions qui admettent plus de 8% d'oxyde de fer tout en-
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gardant un caractère fortement réfractaire.
L'invention concerne donc des matériaux réfractaires en silice qui possèdent une résistance améliorée à. l'usure ou l'abra- sion, tout en possédant les autres propriétés désirables des matériaux réfractaires en silice connus et notamment des formes réfractaires en silice d'une densité, dureté et résistance à l'éclatement améliorées.
Le matériau réfractaire conforme à l'invention est carac- térisé parce qu'il contient de-la chaux et de l'oxyde de fer, calcu- lé comme Fe203' 'en des quantités définies par rapport à la masse totale et l'un par rapport à l'autre, une faible quantité de A1203 de préférence inférieure ou égale à 0,5%, le reste étant essentiellement de la silice.
L'invention concerne aussi un procédé bon marché et pratique pour fabriquer des matériaux réfractaires silicatés.con- formes aux objectifs précédents, procédé caractérisé parce qu'on forme une masse de chaux et d'oxyde de fer, on ajoute un liquide pour délayer cette masse, on forme cette masse en briques, on sèche et on cuit lesdites briques; procédé oui n'exige aucune modification sensible aux procédés existants pour la fabrication des formes réfractaires en silice,
Un autre objet est de réaliser des masses pour la fa- brication de matières réfractaires silicatées conformes aux objets énumérés précédemment.
L'expression "matériaux réfractaires en silice" telle qu'elle est utilisée dans cette invention,'concerne des matériaux réfractaires ou des formes, dans lesquelles la silice (SiO2) est la substance prédominante et oui ne contiennent que de faibles quantités d'autres substances.
L'invention sera décrite avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme qui représente le rapport entre l'oxyde de fer et la chaux conforme à. l'invention en compa- raison avec les procédés connus; la figure 2 est un diagramme ternaire oui montre.
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leurs relations par rapport à la silice, considérée comme composant
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de base des matériaux réfracteires ijt.ouvee.-u3: conformes ? l'invention.
L'invention est basée sur.'le fait oue cerr.,'ÓÜ'cs combi- naisons entre la silice et l'oxyde dé fer et la chaux, dans des pourcentages .et rapports supérieurs a ceux connus par les procédés
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donnent des produits (qe. (-,-Lies uniques et précieuses.
En particulier, les matériaux réfractaires en silice de l'invention sont remarquable*1 par leur densité.. dureté et résistance à l'éclatement, et ces propriétés sont obtenues sans dommage pour
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les autres pronriétés ''-LZrëyrv,,7CS précieuses, COn-LOrm8J:i1ent à ':!.."'- "17.an la composition des roches silicatées et des différentes additions doit, être telle que la composition des produits finaux contienne très peu d'alumine de
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préférence pas plus de 05 de AI20 et que, dans l'intérieur de ces limites;, les objectifs recherchés sont atteints en utilisant com , :
ne substances additionnelles, de l'oxyde de fer et de la chaux dans les rapports et pourcentages suivants par rapport à 'la masse de la bricue (en poids):
1 ) CaO au moins d'environ 2%
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2 ) Fe 2 0 3 au moins environ 1 5; 3 ) CaO f FeZ03 au moins 3,5 jusqu'à environ 20% I ) CaO an moins 1/3 de Fe?0 Cet intervalle de compositions est illustré.par la figure
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1 qui montre les relations de ouantités de Calo et Fe?0-, par analyse des y. '7'311es compositions.
Il doit être entendu que la . figure 1 montre uniquement les liants oxydes CaO et FeO et que le reste de la masse est sensiblement uniquement de la roche de silice broyée, avec d'autres petites quantités de liants temporai- res ou autres adjuvants au'on utilise en faibles quantités pour des buts spéciaux.
En se référant encore à. la figure 1.la surface des compo- sitions de liants, en pour cent en poids, basé- sur la masse totale,
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est montrée par le pentagone A-B-C-D-E- Les lignes AB et ED établissent les li'11i...bs de CaO à 2>? et 10% respectivement, tendis
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que AE établit une limite pour Fe203 à 1,5%. DC est la limite
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qui représente9do + "Fe203 égale 20%. BC est la limite pour toutes les compositions dans lesquelles CaO est au moins 1/3 de Fe2O3.
Ce diagramme distingue plus clairement que n'importe ouoi l'unique intervalle des compositions de liant qui contiennent, diaprés - l'analyse pas plus de 0,5% de A1203. Chacune des lignes de limite a une signification réelle en rapport avec les propriétés utiles dans les matériaux réfractaires en silice. Les valeurs minima de CaO et Fe2O3 établissent l'intervalle de composition nécessaire pour donner la haute densité la force et la résistance aux chocs thermiques qui caractérisent les produits nouveaux. Les limites ED et DC qui donnent les valeurs maxima, sont en rapport avec le caractère réfractaire ultime des produits réfractaires, comme également la ligne du rapport BC, comme il sera explique plus loin.
La figure 2 donne les mêmes rapports que la figure 1, mais transcrits en un diagramme ternaire pour qu'on puisse montrer sur le même diagramme la roche siliceuse, oui est la base des produits.
Les lettres A-B-C-D-E se rapportent aux mêmes points et lignes limites qu'à la figure 1. Dans tous les cas, les références en pourcentage des oxydes de fer et de la chaux signifient leur pro- portion en Fe2O3 et CaO. Ainsi, pour obtenir 3% de CaO lorsque on utilise un hydrate de chaux contenant 70% de CaO, 5% d'oxyde divers et 25% de pertes à la calcination, il sera nécessaire d'ajouter 4,29% d'hydrate de chaux (3,00/0,70),
Les roches siliceuses utilisées dans la fabrication des matériaux réfractaires contiennent normalement à peine plus que des traces de CaO et seulement Quelques dixièmes de pour cent de Fe203. L'oxyde de fer supplémentaire est généralement introduit pendant la fabrication par oxydation de fer métallique introduit accidentellement par les machines. Mais ces quantités initiales ou accidentelles des deux oxydes sont relativement faibles par rapport à celles ajoutées comme liants. En fait il est possible de contrôler le produit par analyse chimique du produit final pour sa teneur
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en FeZ03 et Cao.
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Il est essentiel de choisir.un. matériau siliceux tel qu'il donne après addition de chaux et d'oxyde de fer, une'brique conte- nant peu d'alumine, de préférence moins de 0,5%. De 'telles compo- sitions, avec les liants conformes à l'invention sont fortement réfractaires aussi bien en atmosphère réductrice qu'oxydante.
On ne fait ici aucune distinction entre les différentes formes d'oxydes de fer en ce qui concerne leur valence; nous consi- dérons uniquement leur équivalence en Fe2O3.
La chaux sera généralement ajoutée par ia voie habituelle sous forme de lait de chaux ou, sous forme de chaux hydratée. Pour- tant, on peut utiliser avec succès d'autres composés du calcium qui donnent CaO par chauffage, comme le carbonate (CaC03). Pour toutes ces additions on calcule l'addition en équivalents CaO. L'hydrate de chaux peut être de la dolomie sans dommages appréciables pour les résultats qui caractérisent l'invention. Dans de tels cas, la chaux et la magnésie sont considérées comme équivalentes et leur somme est exprimée en termes de CaO.
L'oxyde de fer peut être ajouté sous forme d'un oxyde chimiquement pur ou sous n'importe quelle forme moins pure mais consistant essentiellement en un ou plusieurs oxydes de fer. Il doit être finement moulu, c'est-à-dire traverser par exemple le tamis de 150 mailles. On peut utiliser avec succès des minerais de fer de grande pureté tels Que les concentrés de taconite ou des scories de pyrites ou des formes précipitées d'oxydes de fer.
On donne ci-dessous des compositions de minerais et d'oxyde de fer qui,ont donné de bons résultats dans cette invention:
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<tb> Hématite <SEP> Scories <SEP> de <SEP> Concentrés <SEP> de
<tb>
<tb> pvrites <SEP> taconite
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silice <SEP> 10,3 <SEP> 3,2 <SEP> 7,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alumine <SEP> 3,7 <SEP> 0,6 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alcalis <SEP> 0,1 <SEP> 0,2 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Oxydes <SEP> de <SEP> fer <SEP> comme <SEP> Fe203 <SEP> 79,8 <SEP> 90,6 <SEP> 91,0
<tb>
<tb>
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<tb> Pertes <SEP> à <SEP> la <SEP> calcination <SEP> 3,1 <SEP> 2,6
<tb>
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<tb>
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<tb> Total <SEP> 97,0 <SEP> 97,2 <SEP> 98,7
<tb>
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Il faut noter qu'à part la silice qui ne constitue pas une addition nuisible pour les brigues silicatées,
ces matières premières sont relativement pauvres en impuretés. Le contrôle de l'alumine et des alcalis est si important qu'il n'est pas pratique d'utiliser des scories commerciales, par exemple les scories de fourneaux à foyer ouvert comme source d'oxyde de fer ou de chaux.
En fait, l'expérience montre que, pour obtenir les effets néces- saires comme liants à partir des deux adjuvants Fe203 et CaO, il est nécessaire de les ajouter sous forme de leurs oxydes ou de matériaux qui forment les oxydes de fer et de calcium par chauffage ; des exemples sont les sulfates et les carbonates.
Les produits conformes à l'invention ont sensiblement le même pouvoir réfractaire que les types usuels de matériaux réfrac- taires siliceux. Mais des teneurs aussi élevées en oxydes de fer que celles qui concernent cette invention, affectent suffisamment le pouvoir réfractaire pour que le produit ait peu d'utilité sans un contrôle de la composition conforme à l'invention.
La fabrication standard de deux briques normales et plus résistante avec l'habituel pourcentage en CaO (2%) donnera des produits dont les caractéristiques suivantes peuvent être considé- rées comme typiques:
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<tb> 1ère <SEP> qualité <SEP> 2ème <SEP> qualité
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<tb> Résistance <SEP> transversale <SEP> kg/cm2 <SEP> 56 <SEP> 35 <SEP> .
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Densité <SEP> globale <SEP> 1,76 <SEP> 1,76
<tb>
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<tb> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> thermique <SEP> exprimée
<tb>
<tb>
<tb> en <SEP> vitesse <SEP> de <SEP> chauffage <SEP> maximum <SEP> par
<tb>
<tb>
<tb> heure <SEP> sans <SEP> cracking <SEP> 182 C <SEP> 66 C
<tb>
En utilisant une composition de liants contenant 4% d'oxydes de fer et 3% de chaux conforme à l'invention, on obtient des briques de silice d'une résistance transversale d'environ 119 kg/cm . La densité globale est augmentée jusau'à 1,84-1,984, et la brique supporte un chauffage très rapide sans cracking, au moins des vitesses de chauffe de 260 C par heure, et dans certains cas de 415 C/heure.
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Une composition cO"1fol".i19 à 1 invention Qui possède des .,ualités e:cceptiorn-11-E,9, l1tj.l'i. se un liant comprenant 8% ,:t'oxyde de fer et !% de chaux et, dans une fabrication commerciale à grande échelle no5sèc?e finalement la composition suivante: 3% de Fe2 0 3 et 4 à Ac3eal de CaO. Des briques de silice fabriquées avec ce liant utilisées les prcois d'l'n fourneau à foTAt ouvert basinue oossède mo lODvi6 nn,7h¯y de celle pas 't'¯'t'j7i3. S ordinai-
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Une brique faito avec je de C2 et 0% de Fer,0, possède un noint de fusion aSC!iy# r*t7,,, ?1""\" f!ü%:":1..: 1',':.'.:.(1ue faite avec la même roche ca'is RU.("t:':'1 addition.
Pourtant , de faibles différences sont souvent (P1'n.' ::J". c-,:?nde i:!lPOrtê311l'.:e n:P1S les fours métallurgi.- eues ou'on considère le rJ?:I-1Yi11).m cérame 'tant de 1>51,19 d'oxyde de fer et qu'on limite na même la chaux à-des additions telles que la quantité de C}-'P1.lX ne ;é-"'F1SA -0-<; 10%.
Oi neut 1'Pt'e2rC d5 excellents matériau? réfractaires en
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silice avec différentes combinaisons de liants dans la limite de
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l':C.YIiTE..'Y'f.'1¯7T1 C2':''.^ ces Usités, les 1;J....j.0U0'3 fabriquées selon la technique hai t'11:l1e seront dans tous les cas excellentes en ce
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qui concerne leur résistance, leur densité, et leur résistance au choc therminue.
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L'i''1vertion est complètement décrite à l'aide d'analyses chimiques et de compositions de IJant1? puisque les détails concer- . nant la préparation des masses, la mise en fornie, le séchage et
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la cuisson sont les mêmes crue pour les compositions de masses-
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réfractaires connues. Ceci S'élDp15.one au broyage, mouture, dimensions des grains, mélanges et mise en forme, de même qu'à la dessicat,to11 ='t la "t!1'30'Y'-. Comme avec d'autres briques en silice, la cuisson est réalisée vers environ 1L,.25 C d'une façon qui assure une transformation du quartz en trydimite et cristobalite.