CH663963A5 - Procede de preparation d'un alliage de base pour la fabrication de metal amorphe. - Google Patents
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Description
DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un procédé de préparation d'un alliage de base pour la fabrication d'un métal amorphe.
Grâce à la qualité de leurs propriétés magnétiques et autres propriétés, les alliages amorphes sont couramment utilisés dans les têtes magnétiques des enregistreurs de sons et d'images (audio- et vidéo-recorders), et l'étendue de leur application est destinée à s'étendre dans les années à venir. Un autre avantage des alliages amorphes est la faible perte en fer, et ainsi ils peuvent remplacer de façon appropriée les feuilles d'acier au silicium actuellement utilisées dans les noyaux des transformateurs, un autre facteur qui contribue à l'augmentation rapide du volume des métaux amorphes utilisés dans le futur. Un métal amorphe qui tient beaucoup de promesses en ce qui concerne son usage dans le noyau des transformateurs est un alliage relativement peu coûteux à base de Fe-B-Si contenant du bore et du silicium en quantités respectives approximatives de 3% et de 5% en poids, par rapport au poids total.
Les procédés conventionnels pour la production de métaux amorphes sont fondamentalement les mêmes, et comprennent le mélange d'une source de fer avec des matériaux d'alliage tels que Fe-B et Fe-Si afin de donner la composition désirée à fondre puis à tremper rapidement. Toutefois, cette approche n'est pas idéale dans
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le but d'obtenir des produits amorphes de qualité constante, étant donné qu'elle implique souvent des déviations de la composition souhaitée de l'alliage.
Afin de remplacer les feuilles d'acier au silicium utilisées dans le 5 noyau des transformateurs, des métaux amorphes ont été produits à un coût non supérieur à environ 1,5 fois le coût de la production des feuilles d'acier au silicium, et celles-ci requièrent, tout d'abord, l'utilisation d'un alliage de base bon marché. Toutefois, si un alliage commercial relativement coûteux Fe-B est utilisé comme alliage de io base, le prix du produit final devient si élevé qu'il rend la production commerciale pratiquement impossible.
Par conséquent, le principal objet de la présente invention consiste à fournir un procédé pour la production d'un alliage amorphe à un faible coût et sans impliquer de trop grandes déviations par 15 rapport à la composition de l'alliage souhaité. Afin d'atteindre ce but, l'invention, plutôt que de produire un alliage amorphe directement à partir d'une source de fer et d'allier des matériaux tels que Fe-B et Fe-Si, préconise la préparation d'un alliage de base en réduisant premièrement un minerai bon marché B203 et en apportant 20 ensuite les composants respectifs pour fournir la composition désirée avec une précision élevée.
L'objet de l'invention est défini à la revendication 1.
Selon un de ses aspects, la présente invention consiste en un procédé de préparation d'un alliage de base pour la fabrication d'un 25 métal amorphe à base de Fe-B-Si, avec décarburation au moyen de l'oxygène sous vide, et qui comprend les étapes consistant à:
fournir un métal fondu contenant une source de fer et de ferrosi-licium;
ajouter au métal fondu un minerai minéral contenant un oxyde 30 de bore;
réduire une quantité prédéterminée de l'oxyde de bore dans le métal fondu par l'action réductrice du carbone qui est initialement présent dans le métal ou qui a été ajouté de l'extérieur simultanément au minerai minéral, de manière à dissoudre ledit oxyde de bore 35 comme bore élémentaire dans le métal fondu;
éliminer le carbone préférentiellement en amenant un oxydant sous vide, et ajuster les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu à l'intérieur d'un domaine de composition désiré.
40 Selon une variante, l'invention se rapporte à un procédé de préparation d'un alliage de base pour la fabrication d'un métal amorphe à base de Fe-B-Si avec élimination d'aluminium, et comprenant les étapes consistant à;
fournir un métal fondu contenant une source de fer et de ferro-45 silicium;
ajouter au métal fondu un minerai minéral contenant un oxyde de bore;
réduire une quantité prédéterminée de l'oxyde de bore dans le métal fondu par l'action réductrice du silicium ou de l'aluminium so qui est présent initialement dans le métal ou qui a été ajouté de l'extérieur simultanément avec le minerai, de manière à dissoudre ledit oxyde de bore comme bore élémentaire dans le métal fondu;
éliminer l'aluminium préférentiellement en amenant un oxydant tel qu'un oxyde de fer, et 55 ajuster les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu à l'intérieur du domaine de composition désiré.
La figure 1 est un graphique représentant les courbes en fonction du temps des teneurs en carbone et en bore dans un acier fondu Fe-B-C soumis à une oxydation sous vide à l'échelle du laboratoire. 60 La figure 2 est un graphique représentant les courbes en fonction du temps des teneurs en aluminium et en bore dans un acier fondu Fe-B-Al soumis à une oxydation sous une atmosphère à l'échelle du laboratoire.
La présente invention se rapporte donc à un procédé pour la pré-ss paration d'un alliage amorphe ayant une composition de base désirée Fe-B-Si. Des produits amorphes ayant une qualité constante peuvent être obtenus en refondant cet alliage de base et en le trempant rapidement.
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663963
Le bore est lié assez-fortement à l'oxygène, de telle sorte que la production pratique courante de Fe-B dépend principalement de la réduction de l'acide borique avec l'aluminium. Toutefois, il y a une probabilité élevée que le bore combiné avec l'oxygène puisse être réduit sous sa forme élémentaire par le carbone ou par le silicium, s'il est utilisé en concentration suffisamment élevée pour augmenter de façon appréciable l'activité, et par conséquent la réactivité du bore.
Afin de confirmer cette présomption, les présents inventeurs ont effectué des expériences à l'échelle du laboratoire sur la réduction du bore combiné dans les minerais de B203 en la forme élémentaire par la procédure suivante. Des charges d'acier (3 kg) contenant du carbone (C), du silicium (Si) et/ou de l'aluminium (Al) comme agent réducteur ont été fondues par chauffage rf («radio frequency») dans des creusets de graphite ou d'alumine. Tout en maintenant les charges à 1550°C, un minerai B203 ou un minerai colémanite (comprenant 55% en poids de B203, 32% en poids de CaO et 6% en poids de Si02) a été ajouté sur la surface de la masse fondue en quantités divisées de telle sorte que chacune produise 4% en poids de bore jusqu'à complète réduction. Les teneurs en bore dans les charges de masse fondue sont présentées dans le tableau 1 ci-après.
Tableau 1
Charge N°
Minerai
Concentrations initiales (% pds)
Concentration finale en bore (% pds)
Réduction en %
C
Si
Al
1
b2o3
4
2,07
51,8
2
b203
—
7
—
2,60
65,0
3
b2q5
—
—
10
3,45
86,3
4
®203
3
5
3
3,21
80,3
5
colémanite
4
—
—
2,33
58,3
6
colémanite
—
7
—
2,94
73,5
7
colémanite
—
—
10
3,55
88,8
8
colémanite
3
5
3
3,28
82,0
9
colémanite
4
—
—
.2,75
68,8
10
colémanite
4
5
—
3,01
75,3
11
colémanite
4
—
3
3,29
82,3
12
colémanite
4
5
3
3,40
85,0
Les résultats présentés dans ce tableau 1 montrent que chacune des charges testées atteint un rendement de réduction supérieur à 50%. Etant donné que la colémanite et le B203 sont tous deux disponibles à des coûts nettement inférieurs à ceux du Fe-B, la méthode de réduction selon la présente invention apparat comme étant commercialement utilisable et souhaitable.
On désire en outre que le métal amorphe à produire à partir de l'alliage de base selon la présente invention contienne de l'aluminium en une quantité non supérieure à 0,010% en poids et du carbone en une quantité non supérieure à 0,10% en poids, cela tant du point de vue des exigences du procédé que de celles de la qualité. Ainsi, le carbone ou l'aluminium doivent être éliminés préférentiellement à partir du métal fondu préparé par le procédé décrit ci-dessus. Si le monoxyde de carbone gazeux dans le four de fusion a une pression partielle atmosphérique (Pco), le carbone se lie avec l'oxygène aussi fortement que le silicium le fait, de telle sorte que l'oxydation préférentielle du carbone est impossible, même en présence d'un oxydant ajouté de l'extérieur. Cela signifie que la décarburation préférentielle doit être réalisée en fournissant une source d'oxygène telle que de l'oxygène gazeux sous vide. Si, d'autre part, l'aluminium plutôt que le carbone est utilisé comme agent de réduction, on s'attend que l'oxydation préférentielle de l'aluminium se produise aisément en fournissant une source d'oxygène tel que de l'oxyde de fer au métal fondu.
Les figures 1 et 2 présentent les résultats des deux expériences que les présents inventeurs ont effectuées afin de confirmer les considérations précédentes. Dans l'une des expériences, un acier (1 kg) contenant 0,5% en poids de C et 3% en poids de B dans un creuset 5 en alumine a été fondu sous atmosphère d'argon, et de l'oxygène gazeux a été soufflé sur la surface de la masse fondue soit à une atmosphère, soit à des pressions subatmosphériques prédéterminées. Les courbes en fonction du temps des teneurs en carbone et en bore dans la masse fondue ont été rapportées sur la figure 1, dans laquelle 10 la ligne en trait continu et la ligne en traits interrompus se rapportent respectivement à des pressions différentes, c'est-à-dire 10 Torr (O), 50 Torr (A), 100 Torr (#) et 760 Torr ( x ). Ainsi qu'il ressort de cette figure 1, les teneurs en carbone et en bore sont réduites simultanément dans une atmosphère d'argon, mais, lorsque la pres-15 sion diminue progressivement, la décarburation se produit préférentiellement et, à 100 Torr ou au-dessous, la teneur en carbone peut être diminuée jusqu'à 0,1% en poids ou moins avec une oxydation négligeable du bore. Par conséquent, on peut en conclure que, si le carbone est utilisé comme agent de réduction, l'élimination préféren-20 tielle de carbone peut être réalisée en soufflant de l'oxygène gazeux dans la masse en fusion sous vide.
Dans l'autre expérience, un acier (3 kg) contenant 3% en poids de B et 0,1% en poids d'Ai a été fondu dans un creuset en alumine et un oxyde de fer a été ajouté de manière continue sur la surface de la 25 masse fondue comme oxydant, sous une atmosphère. Les courbes en fonction du temps des teneurs en aluminium (O) et en bore (♦)
dans la masse en fusion sont représentées sur la figure 2, desquelles il ressort que la teneur en aluminium peut être diminuée jusqu'à 0,01 % en poids ou moins avec une oxydation négligeable du bore. 30 On peut par conséquent en conclure que, si l'aluminium est utilisé comme agent de réduction, l'élimination préférentielle de l'aluminium peut être réalisée par addition d'un oxyde de fer ou d'un autre oxydant approprié à la masse en fusion.
L'invention sera maintenant décrite en détail en référence aux 35 exemples suivants.
Exemple 1:
Décarburation avec l'oxygène sous vide
Le résultats d'un test à l'échelle industrielle de la méthode men-40 tionnée en titre ont été rapportés dans le tableau 2 ci-après. Un four à arc électrique à revêtement d'alumine (101) a été chargé avec une source de fer («scrap») et du Fe-Si (ferrosilicium). La charge a été fondue de manière à former une masse chauffée (61) ayant la composition initiale (avant réduction) telle que présentée dans le 45 tableau 2. De la colémanite anhydre a été ajoutée sur la surface de la masse fondue en une quantité telle qu'elle produise 4% en poids de B dans la masse fondue jusqu'à complète réduction. La colémanite (B203) a été réduite par le carbone initialement présent dans la masse fondue de telle sorte que le bore élémentaire se dissolve dans 50 cette masse fondue pour fournir la composition (après réduction) indiquée dans le tableau 2. La masse fondue ainsi traitée a été versée dans un creuset dans lequel elle a été décarburée avec de l'oxygène gazeux qui a été soufflé à une pression de 50 Torr de manière à produire la composition (après décarburation) présentée dans le tableau 55 2. La masse en fusion a été finalement ajustée de manière à avoir la composition souhaitée par addition de Fe-Si et Fe-B à faible teneur en Al.
Tableau 2
Composition
(% pds)
C
Si
B
Avant réduction
3,52
4,83
<0,01
Après réduction
0,53
2,06
3,12
Après décarburation
0,06
0,53
2,85
Finale
0,06
4,96
3,01
663 963
4
Tableau 3
Composition
(% pds)
C
Si
Al
B
Avant réduction
0,04
7,03
<0,01
<0,01
Après réduction
0,05
4,15
0,21
2,95
Après oxydation
0,04
3,83
0,006
2,80
Finale
0,04
5,07
0,006
2,98
Exemple 2:
Elimination de l'aluminium en creuset
Une charge d'acier fondu (6 t) ayant la composition (avant réduction) présentée dans le tableau 3 ci-après a été traitée comme dans l'exemple 1 de manière à fournir la composition (après réduction) également indiquée dans le tableau 3. La masse fondue réduite a été versée dans un creuset contenant dans son fond 180 kg d'un oxyde de fer, et débarrassée de l'aluminium par oxydation sous agitation en amenant de l'argon gazeux dans le creuset à partir du fond. La masse en fusion a été finalement ajustée de manière à avoir la composition désirée présentée dans le tableau 3 par addition de Fe-Si et Fe-B à faible teneur en Al.
Il ressort clairement de ce qui précède que la présente invention rend possible la production d'alliages de base amorphes d'une qualité constante à partir de minerais bon marché, et qu'ainsi des 15 avantages commerciaux importants résultent de la mise en œuvre de cette invention.
R
1 feuille dessins
Claims (10)
- 663 963REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un alliage de base pour la fabrication d'un métal amorphe à base de Fe-B-Si, comprenant les étapes consistant à:fournir un métal fondu contenant une source de fer et de ferro-silicium;ajouter à ce métal fondu un minerai minéral contenant un oxyde de bore;réduire une quantité prédéterminée de l'oxyde de bore dans le métal fondu par action réductrice du carbone ou de l'aluminium initialement présent dans le métal ou ajouté de l'extérieur simultanément au minerai, de manière à dissoudre ledit oxyde de bore sous forme de bore élémentaire dans le métal fondu;éliminer le carbone ou l'aluminium par addition d'un oxydant, et ajuster les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu à l'intérieur d'un domaine de composition désiré.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'oxyde de bore est réduit par l'action réductrice du carbone, et le carbone est éliminé préférentiellement par addition d'une source d'oxygène sous vide.
- 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'oxyde de bore est réduit par l'action réductrice de l'aluminium, et l'aluminium est éliminé préférentiellement par addition d'un oxydant.
- 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la source d'oxygène sous vide est de l'oxygène gazeux.
- 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit oxydant est de l'oxyde de fer.
- 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu sont ajustées par addition de Fe-Si et de Fe-B à faible teneur en Al.
- 7. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu sont ajustées par addition de Fe-Si et de Fe-B à faible teneur en Al.
- 8. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu sont ajustées par addition de Fe-Si et Fe-B à faible teneur en Al.
- 9. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu sont ajustées par addition de Fe-Si et Fe-B à faible teneur en Al.
- 10. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les teneurs en bore et en silicium dans le métal fondu sont ajustées par addition de Fe-Si et de Fe-B à faible teneur en Al.
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