CHAPITRE V

Traitements mixtes ou èlectrothermiques.

PROCÉDÉ COWLES.

302. Objet du procédé Co^srles. Il consiste dans la réduction, par le concours du charbon et de la chaleur fournie par un courant électrique puissant, des oxydes métalliques et plus particulièrement des oxydes difficilement réductibles par les moyens ordinaires, tels que les composés oxydés de Taluminium, du sihcium, du chrome, du manganèse, du titane, du tungstène, des métaux alcalins et alcalino terreux.

Les métaux ainsi obtenus sont alliés, dans le fourneau électrique même, à d'autres métaux usuels avec lesquels ils forment des alliages dont les applications industrielles ont un grand avenir. C'est la caractéristique du procédé.

C'est ainsi que le fourneau électrique produit des alliages bruts tels que les suivants :

Cup7^o-alwninium, destiné à la fabrication des bronzes et laitons d'aluminium industriels ;

Cuprosilicium, pour les bronzes siliciés industriels ;

Cupro-manganèse, pour les bronzes au manganèse ou bronzes blancs ;

Ferro-aluminiwn , destinés aux fondeurs de fonte et d'acier ;

FerrO'Chrôme, pour les aciers durs au chrome, etc.

303. Matières premières. Oxydes métalliques. Les oxydes à traiter au fourneau électrique ne sont pas rares. On les trouve d'autant plus aisément que, pour beaucoup d'usages

industriels, leurs métaux n'exigent pas d'être obtenus à un <3tat de grande pureté. Ainsi, le corindon est très abondant aux États-Unis, particulièrement dans la Caroline du Nord(l) ; jl contient toujours un peu de mica, qui souille l'aluminium de silicium; mais celui-ci, en petite quantité, n'a en général guère d'inconvénient dans les alliages de l'aluminium avec le cuivre ou avec le cuivre et le zinc, employés pour la grande industrie. Les oxydes de silicium purs sont fournis par les sables lavés ou les quartz blancs. Les oxydes de manganèse riches ne contiennent que peu d'impureté.

Les oxyde de chrome et de titane se trouvent combinés à l'oxyde de fer et conviennent parfaitement pour l'obtention des ferro-chrômes et des ferrc>-titane. Enfin, si Ton a en vue l'application de l'aluminium aux aciers, les corindons impurs, contenant surtout du fer oxydé, comme ceux de Naxos, peuvent convenir. Il en est de même de la bauxite ; le silicium apporté par ces matières se joint à l'aluminium et donne du ferra aluminium-silicium, qui peut être ajouté à lacier si le dosage est bien étudié. Le rôle du silicium dans l'acier fondu est, en effet, analogue à celui de l'aluminium. Disons pourtant que l'emploi de ces oxydes impurs présente le grave inconvénient de ne pas permettre une fabrication régulière, ni l'obtention des alliages du cuivre exclusivement aluminifères, qui peuvent seuls convenir pour les usages délicats. Remarquons aussi que le ferro-aluminium a bien moins d'avenir dans la fabrication de l'acier que l'aluminium pur. Celui-ci présente, en effet, le double avantage d'apporter moins d'impuretés, puisqu'on l'ajoute en beaucoup plus faible proportion et de donner au bain toute sa chaleur de combustion par l'oxygène

(1) Les fonderies Cowles payaient en 1887 le corindon broyé à raison de 500 francs la tonne, alors que la statistique minérale officielle des Etats-Unis (Geological Survey) renseignait le prix de ce minéral en blocs à la mine, à 14,5 dollars, soit 72fr-,50 par tonne. Aussi, nul doute qu'un débouché considérable pousserait au développement de l'exploitation et à une baisse considérable du prix d achat.

interposé, puisqu*aucune chaleur n'est absorbée par la dissociation. C'est, pour le dire en passant, une des raisons pour lesquelles l'aluminium donne au bain d'acier beaucoup plus de fluidité que le silicium, lequel n'est jamais ajouté qu'à l'état de siliciurc de fer et de ^nanganèse.

Métaux usuels. Pour la fabrication des alliages à base de cuivre, il est préférable de se servir de cuivre pur, tel que celui du Lac supérieur ou le cuivre électrolytique ; on est ainsi plus certain de la composition du métal final. Pour la fabrication des alliages à base de fer, on se sert le plus possible de mitraille de fer n^' 3 et n° 4, tels que vieux boulons, écrous, déchets de tôles, etc. (1).

Charbon. Le charbon de bois contient, comme cendres, surtout des oxydes alcalins dont les métaux sont volatils. C'est donc, pour le fourneau électrique, un combustible précieux. L'opération en elle-même, nous l'avons expérimenté, réussit aussi bien avec le coke employé comme réductif et comme revêtement ; mais le métal obtenu est toujours plus silicieux^ même si l'on se sert de coke soigneusement lavé.

304. Fourneaux électriques. A Lockport, les fours sont à travail discontinu. Chaque fourneau (fig. 11 à 13) est une fosse rectangulaire muraillée de briques réfractaires , fermée pendant la marche par un couvercle en fonte qui est enlevé pour l'introduction de la charge et pour le défournement. Ce couvercle est muni d'un ouvreau pour la sortie du gaz.

Dans les deux petites faces opposées du. four sont réservées deux ouvertures pour le passage des électrodes. Chacune de celles-ci est inclinée légèrement vers le milieu du four et formée de 7 crayons en charbon de même composition que les charbons

(1) On trouvera des analyses de métaux propres à la fabrication de ces alliages dans la monographie indiquée ci-après : «* Z^s alliages du cuivre^, par H. Ponthière. Paris, Gauthier-Villars : Louvain, Peeters- Ruelens, 1889.

à lumière, de 0''',06 de diamètre et d^ 1^,30 de longueur. Les 7 crayons sont réunis à rextréiriité par oil arrive le courant,

Fjg, 31.

au moyen d'une douille D en cuivre coulé autour des crayons dans un moulp. Cette douille établit un contact satisfaisant.

Fig. 12.

L'électrode à section ctoilée, que Ton aurait avantage à fa« briquer d'un seul crayon au moyen d'un outillage spécial, débouche extérieurement dans un gaine en fonte E, rapportée stir les parois du four et qui forme pour Télectrode une boite protectrice, une sorte d'étouffoir, dans lequel les crayons, chauffés au f\^^ i:î.

rouge à leur extréniité, sont retirés et viennent, la charge finie, se refroidir à Tabri de Tair,

Dans la douille en cuivre est insérée une tige T du même métal, qui peut être réunie à l'un des conducteurs du courant par un assemblable à boulons.

Le fond du four est recouvert d'une épaisse couche tassée c de charbon de bois pilé. La charge est séparée des parois par une semblable c(juche, de façon qu'elle se trouve enveloppée de charbon comme dans un grand creuset brasqué.

Pour compléter la similitude, la charge, dans laquelle sont noyées les extrémités des électrodes, est recouverte de charbon de bois en morceaux G, lequel laisse un libre passage aux gaz produits, tandis que le courant fournit la température nécessaire à la dissociation. Le sol de la fonderie est dallé de ciment isolant, sur lequel les ouvriers peuvent circuler sans danger on touchant les conducteurs. Le corps humain peut d'ailleurs être traversé impunément par ce courant très intense mais à faible potentiel [§ 205] ; nous Tavons expérimenté plusieurs fois.

Si l'on se représente que la dynamo et le fourneau sont réunis par deux barres de cuivre de 0^",06 de diamètre ; que deux simples assemblages suffisent à interposer un four dans le circuit ou à l'en isoler ; que, outre la dynamo et le four, l'ensemble de l'installation ne comprend qu'un ampèremètre d'une construction particuhèrement simple et robuste, indétériorable [§ 05], mis en circuit et un voltmètre de même construction en dérivation sur les bornes de la dynamo ; que, en dehors du mécanicien de la dynamo, un gamin suffît à la surveillance, on doit reconnaître que cette installation ne le cède pour ainsi dire en rien, comme simplicité, aux installations métallurgiques les moins compliquées.

A Lockport, le défournement, comme le chargement, se fait par le dessus du four.

A Milton (Stoke on Trent), le four est muni d'un stoupa comme l'indique la fig. 13, par lequel sont coulés la scorie et le métal. Les câbles en cuivre sont attachés à des galets roulant sur un rail en U et aisément transportés ainsi d'un four dont la charge est épuisée à un autre four prêt à être mis en train. A cet effet, les fours sont, comme à Lockport d'ailleurs, rangés à côté l'un de l'autre entre les deux rails qui amènent le courant.

On pourra sans doute réaliser un four continu, sorte de cubilot dont les tuyères seraient remplacées par deux électrodes et qui serait ainsi, pour employer une expression pittoresque, soufflé à Vélectricité,

305. Description d'une opération. Nous décrirons une opération pour cupro-aluminium. Pour un autre alliage, la charge seule diffère. S'il s'agit d'obtenir du ferro-aluniinium, par exemple, il suffit de remplacer le cuivre de la charge par de la ferraille. S'il s'agit de produire du ferro-chrôme, la charge se compose de ferraille et d'oxyde de chrome, etc.

Le fond du four ayant été égalisé après l'enlèvement du saumon de l'opération précédente, on met à fond les électrodes qui arrivent à se toucher presque (distance entre les pointes, 1 à 2 pouces) ; les parois sont garnies de poussier de charbon de bois sec, en même temps que la charge, composée

/ Corindon en morceaux 15 kiiog.

) Cuivre en grenaille 30 "

^^ • \ Un peu de charbon en morceaux pour étabUr

{ d'abord le passage du courant.

/ Corindon en morceaux 12^"-, 5

ou de : ? Cuivre en grenaille 30 «

I Crasses des opérations précédentes . . 42 « est placée sur les électrodes, puis recouverte de charbon de bois en morceaux. Les ouvertures par où les électrodes débouchent dans le four sont lutées à sec par une pelletée de poussier de charbon de bois, pour empêcher les gaz de fuir dans les étouffoirs, où ils échaufferaient et brûleraient les électrodes. Le couvercle est placé, les contacts avec les conducteurs établis et l'opération commence. Au bout de quelques minutes, l'ampèremètre marque 3000 ampères, le voltmètre 50 volts environ et le gamin préposé à l'écartement des électrodes maintient ces indications constantes pendant les deux heures que dure l'opération.

Il y arrive aisément en agissant sur une vis à manette V,. passant dans un écrou fixé en un point de la tige de cuivre,, chaque fois que l'ampèremètre dépasse le chiffre 3000.

Grâce à l'inclinaison des charbons et à leur retrait progressif opéré par le gamin, à mesure que montera le bain métallique provenant de la fusion du cuivre avec l'aluminium

réduit, les extrémités des électrodes seront toujours maintenues au-dessus du bain de métal, sans contact avec lui. De cette façon, la plus grande partie du courant sera toujours forcée de traverser, non pas le bain, mais la partie de la charge non encore réduite qui repose sur lui et dans laquelle sont noyées les électrodes.

Au bout de 8 à 10 minutes, l'air contenu dans le four est entièrement dégagé avec la vapeur d'eau et les premières parties d'oxyde de carbone, par l'ouvreau ménagé dans le couvercle. A partir de ce moment, il n'y a plus d'explosion à craindre : les gaz sont allumés (ce qui n'a pour objet que d'éviter la fumée) et les produits reçus dans un condenseur en tôle en relation avec une cheminée d'appel.

Ces gaz contiennent les métaux volatils de la charge, tels que les métaux alcalins, le calcium, etc. qui se brûlent en même temps que les gaz. Au bout de deux heures, les pointes des électrodes sont arrivées aux extrémités de la charge et distantes alors de 1"',10 environ : l'opération est finie. Le contact est brisé, la dynamo mise en relation avec un autre four chargé. Les électrodes sont retirées le plus possible dans les gaînes-étouffoirs.

Une heure après la fin de l'opération, le couvercle est enlevé, le four refroidi par aspersion d'eau, le charbon de bois en morceaux non brûlé retiré et mis à part ; puis le saumon de métal,* recouvert de la partie non réduite que nous appellerons crasse, enlevé au moyen de pinces. Le four est alors remis en état pour recevoir une nouvelle charge. Quant au saumon, il est séparé de la crasse qui est beaucoup plus cassante et, le métal d'un côté, la crasse de l'autre, sont pesés et mis en magasin.

A Milton, on gagne du temps en coulant par le stoupa, aussitôt la réduction finie, le métal et la crasse.

L'alliage brut, cupro- aluminium, contient de 14 à 20 p. c. d'aluminium. Il est jaunâtre et assez malléable, ou blanc et

très cassant, selon que sa teneur est faible ou élevée. Il sera employé à la fabrication des bronzes d'aluminium, des laitons d'aluminium ou autres alliages à base de cuivre*

Les proportions de métal bmt et de crasse sont assez Tariables. Pour une charge sans crasses, c*est-à-dire composée exclusivement de cuivre et de corindon, on obtient en moyenne 30 liiipff. de crasses. Pour une charge à crasses, le magasin diminuera de 7 â 10 ^im- de crasses à cbaque charge, c^est-àdire d'un poids égal à '25 ou 30 p- c. de la quantité de scorie introduite dans la chaï'ge.

La crasse est 'un produit secondaire de grande valeur. Elle contient environ 30 p. c. d'aluminium et 25 p. c, de cuivre à peu près entièrement métalliques. Le reste est formé de <îliarbon en morceaux. Quand on a en magasin une assez grande quantité de ce produit secondaire, on le repasse dans les charges; c'est en somme un excellent minerai.

Le charbon de bois en morceaux retiré (2 pelletées) est devenu graphiteux et s'est imprégné d'oxydes métalHqucs. A Lockportj on le jette, mais dans une fonderie possédant un broyeur, on le réduira en poussier pour le faire servir au garnissage des parois du fourneau électrique. I^es parties métalhques ou non réduites, qui ne sont pas agglomérées avec le saumon, sont séparées par lavage du poussier de charbon de bois et réunies aux produits provenant du saumon fondu. Le charbon de bois fin retiré ainsi, imprégné d oxydes métalliques et devenu trop conducteur, est passé dans l'eau de chaux, puis séché pour servir de nouveau au garnissage des parois.

La fondei'ie est balayée chaque matin et les balayiires sont rechargées dans les fours, de sorte que le déchet provient seulement des pertes par volatilisation et par lavage. On retire à LcK!kport les | de raluminium contenu dans le corindon. Le rendement est ainsi de 30,0 p. c. (le corindon contient 55 p. c. d'aluminium), soit un écart de 18,4 unités et une perte de 33,3 p. c. de Valumînium contenu. Le corindon, à cause de sa

grande compacité, résiste assez bien à la volatilisation ; c'est donc un minerai précieux pour le fourneau électrique.

306. Fabrication des alliages industriels. Le cupro-aluminium obtenu, contenant de 14 à 20 p. c. d'aluminium, est cassant et impropre à toute application. Il est refondu dans des fours à creusets de graphite chaufies au coke, avec la quantité de cuivre nécessaire pour donner un alliage industriel. L'alliage brut, dosé à l'œil approximativement, est additionné de la quantité de cuivre calculée pour obtenir une teneur déterminée. Le mélange fondu, on cueille dans le bain une cuillerée de métal qu'on coule en deux barrettes dans un moule préparé d'avance. Ces deux barrettes sont démoulées aussitôt après solidification, refroidies dans l'eau et essayées è la traction. Par la résistance et l'allongement qu'elles accusent, on juge de la composition du métal. Si celle-ci n'est pas satisfaisante, on ajoute au bain un poids convenable de cuivre ou de cupro-aluminium, puis, au bout d'une demi-heure, on fait une nouvelle prise d'essai qui est traitée comme la première. Après deux tâtonnements, on obtient un métal satisfaisant qu'on coule soit en lingots, soit directement en objets moulés. Il va sans dire que le moulage en seconde fusion est à conseiller, si l'on veut obtenir un produit parfaitement homogène.

La fonderie de Lockport n'a rien de particulier, pas plus que l'atelier des machines-outils pour l'alésage des pièces coulées.

Les fours à creusets chauffés au coke pourraient être remplacés par des fours à creusets, chauffes à la houille ou au moyen de gazogènes, ou par des fours à réverbère à sole de graphite, de bauxite ou de corindon agglomérés, de façon à éviter en tous cas le contact de la matière à fondre avec les produits réfractaires ordinaires, qui sont siliceux.