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Perfectionnements apportés à la réduction des minerais métal- liques et à la fabrication des métaux et alliages métalliques.
Cette invention a trait à la réduction des minerais métalliques et à la fabrication des métaux et des alliages métalliques.
Le but visé par l'invention est de fournir aux mé- tallurgistes un procédé et un appareil perfectionnés utili- sant une phase de réduction gazeuse conjuguée avec un traite- ment final dans un four électrique et d'une application par- ticulièrement heureuse à la production des métaux et des al- liages en partant des minerais de fer possédant une haute teneur en fer mais ne pouvant être traités commercialement, c'est-à-dire économiquement de la manière ordinaire par suite de l'état finement divisé ou de la présence de matière ré- fractaire mélangée avec eux, comme c'est le cas, par exemple, des sables ferrugineux contenant de l'oxyde de titanium, Diverses tentatives ont été faites dans le passé pour réduire
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au four électrique, les minerais finement divisés,mais le coût de l'opération de réduction, ainsi pratiquée,
est ex- cessivement élevé par suite de la grande consommation de cou- rant électrique de sorte que ces tentatives n'ont pas conduit à des procédés commercialement, c'est-à-dire, économiquement pratiquables, surtout dans les pays où le courant électrique coûte cher. Aussi bien, un des buts que se propose la pré- sente invention, est-il de permettre la fabrication des mé- taux et alliages métalliques directement à partir des mine- rais, de manière rapide et moyennant une dépense inférieure à celle de n'importe quel procédé de réduction des minerais ordinaires ou pouvant tout au moins subir avantageusement la comparaison avec elle, et ce, tout en permettant dans le cas de minerais de fer-finement divisés comme les sables ferru- gineux, de fabriquer l'acier ou des alliages à base d'acier en partant directement de ces minerais et de manière écono- miques.
Le procédé sur lequel porte l'invention consis- te à faire tomber en pluie à différentes reprises du minerai séché et pulvérisé ou finement divisé dans un gaz réducteur chaud tout en faisant descendre ce minerai par son propre poids à travers un four rotatif duquel le minerai,une fois réduit, est évacué dans un four électrique en le faisant tom- ber en pluie dans l'arc Jaillissant dans ce four, dans lequel ainsi ont lieu la fusion et l'affinage terminant le traite- ment.
Dans la réalisation industrielle la plus heureuse de ce procédé, on oblige du gaz de gazogène à circuler selon un sens de progression inverse de celui du minerai finement divisé dans un four rotatif pourvu intérieurement d'aubesi pa- les ou ailettes rapportées ou venues de métal et régnant sur toute la longueur de ce four, ces ailettes affectant une
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forme hélicoïdale de manière à faire progresser le minerai .fixement divisé tout en le projetant à plusieurs reprises en pluie dans les courants de gaz réducteur, ledit four ro- tatifétant agenoé de préférence de manière à se vider de son contenu dans l'un quelconque d'une série de fours élec- triques disposés de telle sorte que le procédé paisse être appliqué en continu.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple. de réalisation de l'invention, une installation utilisable pour opérer la réduction de minerais métalliques.
Fig.l est un plan d'ensemble de cette installation.
Fig.2 est une élévation du séchoir et du broyeur pul- vériseur.
Fig.3 est une élévation partiellement coupée du four rotatif et des fours électriques.
Fig.4 est une section droite à plus grande échelle du four rotatif.
Fig.5 est une coupe de détail du dispositif servant à prévenir l'entrée de l'air dans les fours électriques.
Fig6 est une coupe verticale d'un des fours électriques
Fig, 7 est une élévation du four électrique représenté en figure 6 montrant le régulateur des électrodes.
Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, on verra que le minerai est fourni par des silos 1 au besoin en vue de sa réduction à un état finement divisé ou pulvérulent dans un broyeur 2. S'il s'agit de minerai de fer, il est soumis à l'action d'un séparateur magnétique 3 destiné à concentrer le métal puis amené par un élévateur 4 dans un silo 5 disposé latéralement à un autre silo 6 renfermant du charbon ou tel autre agent réducteur imposé par la nature du minerai en cours de traitement, ce charbon étant fourni au silo 6 par un silo d'emmagasinage 7 par le moyen d'un plan incliné 8 et d'un
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élévateur 9.
A leux sortie des silos 5 & 6, les maté- riaux sont amenés dans un séchoir 10 en passant au travers duquel ils se trouvent chauffés par les gaz résiduaires chauds venant du four qui sera décrit ci-après. Une boîte à feu auxiliaire 11 est prévue pour augmenter la quantité de gaz de sèchage dont on peut disposer. Les gaz résiduaires pro- venant du four s'écoulent par un conduit 12 et gagnent l'ori- fice d'admission du séchoir. Les gaz chargés de poussières venant du séchoir sont dépoussiérés dans un séparateur 13 à action cyclonique puis ramenés par un ventilateur 14 dans un conduit 15 aboutissant à l'orifice d'admission du séchoir.
A sa sortie de ce dernier, la matière en cours de traitement passe dans un broyeur pulvériseur 16 pourvu à une extrémité d'une couronne dentée 17 lui transmettant l'impulsion d'un moteur 18 par l'intermédiaire d'un engrenage réducteur 19.
Ce broyeur 16 évacue la matière pulvérisée sur un élévateur 20 qui la déverse dans une trémie 21 hermétiquement close de laquelle elle est amenée par son propre poids et par un conduit 22 dans l'embouchure supérieure d'un four rotatif incliné 23.
Ce four 23 à fonction réductrice est constitué par une cornue rotative légèrement inclinée de type connu et affecte une construction analogue à celle des cornues utilisées dans la fabrication du ciment. L'agent de chauffage effectuant la réduction est constitué, de préférence,, par du gaz chaud aspiré à même un gazogène voisin 24 à travers des récupéra- teurs 25 et un conduit 26 pénétrant dans le four 23 à son ex- trémité inférieure, et le traversant selon un courant de sens inverse de celui de la matière en cours de traitement. Ce gaz passe non brûlé à travers le four 23 en contact direct avec la matière qu'il s'agit de réduire de sorte que sa chaleur est utilisée pour effectuer la réduction.
Comme ce gaz possède lui-même des propriétés réductrices, on réalise une économie
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dans la quantité d'agent réducteur qu'il est nécessaire de mélanger à la matière finement divisée subissant le traite- ment. Pour que le gaz réducteur chaud puisse être amené en contact intime avec la matière finement divisée, l'intérieur de la cornue est pourvu d'une série d'aubes, pales ou ailet- tes saillantes 27 formant chicanes (voir la figure 4) conve- nablement espacées et disposées longitudinalement d'un bout à l'autre de la cornue.
Grâce à cette disposition, au fur et à mesure que.la cornue 23 tourne, la matière est soulevée par ces chicanes 27 disposées en hélioe et distribuée en pluie à travers le gaz réducteur qui circule selon un courant inverse de celui du mélange de minerai et de matière réduc- trioe. La température de l'agent de chauffage à l'endroit où la matière pénètre dans le four rotatif 23 est d'environ 80000.de sorte que la matière en contact avec lui se trouve chauffée jusqu'à cette température. A l'endroit où le fer rendu spongieux sort du four rotatif et passe dans un des trois fours électriques 28, la température peut être de l'or- dre de 1250 C.
Trois fours électriques-(dont la construction sera dé- orite plus loin) sont prévus dans l'installation pour que le procédé puisse être appliqué en continu. Les fours Nos.2& 3 sont chargés l'un après l'autre tandis que la fusion et l'affinage sont achevés dans le four ? 1 qui est déchargé et rechargé pendant que le four N 3 fonctionne.
. Les gaz réducteurs sortent du four rotatif 23 à une tem- pérature de 800 C. environ et traversent des dépoussiéreurs 29 & 30 avant d'accéder à un conduit 12 qui les amène au sé- chois dans lequel ils sont utilisés au séchage et au préchauf fage de la matière. Ces dépoussiéreurs 29 et 30 se vident de leur poussière dans un élévateur 31 qui, lui-même, se vide de la sienne dans une trémie 21 qui la ramène au four rotatif,
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Un registre 32 placé dans le conduit 12 permet, par sa fermeture, d'évacuer à volonté les gaz d'échappement du four dans une cheminée 33.
La fig.5 représente, à plus grande échelle, un des conduits 34 qui relient le four 23 et les fours électriques 28. Ce conduit est pourvu de registres 35 et l'embouchure du four électrique (qui est monté à bascule en vue de sa vi- dange) est obturée par un registre 36. Pour prévenir toute entrée d'air autour des registres, des orifices #7 servant à l'admission de gaz froid sous pression sont prévus à seule fin que, s'il vient à se produire une fuite, le gaz s'échap- pe par eux et empêche par là même toute entrée d'air.
La construction d'un des fours électriques est repré- sentée en détail dans les figures 6 et 7. Chacun de ces fours comprend deux électrodes 38 montées à coulisse dans un manchon 39 noyé dans la voûte du four 40. Ce manchon 39 dans lequel chaque électrode peut coulisser est assujet- ti à, ou fait partie d'une calotte sphérique creuse 41,for- mant la partie interne d'un joint à rotule dont la genouillè- re ou cuvette 42 est formée d'éléments fixés autour d'ouver- tures pratiquées dans la voûte du four. Les calottes 41 sont refroidies par une circulation interne d'eau grâce à des orifices d'entrée et de sortie 43 et 44, Des bagues dtétan.- chéité 45 ou "économiseurs" sont prévues autour des électrodes 38 au-dessus des manchons 39.
L'extrémité supérieure de cha- que électrode est maintenue dans une pince 46 montée au sommet d'un bras 47 pivotant à son extrémité inférieure sur un point fixé de la paroi externe du four. Chacun de ces bras 47 est monté coaxialement à une roue dentée 48 et 49, ces deux roues engrenant mutuellement, celle 49 engrenant à son tour avec un pignon moteur 50 en prise avec une vis sans fin 51 mon- tée sur un arbre 52 portant un volant de gèglage 53. Une com- mande mécanique est prévue à titre de variante surtout dans le cas de fours à grande capacité.
Grâce à ce montage, on peut
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faire basculer les bras 47 par rapport à leurs pivots de façon à imprimer un mouvement similaire aux électrodes qui se déplacent par rapport aux joints à rotule comme sur des pivots de sorte qu'on peut rapprocher ou éloigner à volonté les extrémités internes des électrodes. Ainsi donc, dès quton a fait jaillir l'arc électrique entre les extrémités rapprochées des électrodes inclinées, on peut les écarter angulairement l'une de l'autre jusqu'aux positions représen- tées en traits mixtes dans la figure 6 de façon que l'arc balaye toute la surface du bain.
Lorsque les électrodes commencent à s'user à leurs extrémités inférieures, on peut les engager davantage vers l'intérieur à travers les man- chons 39 en remontant ou abaissant de n'importe quelle ma- nière convenable les pinces 46 le long des bras 47.
L'avantage de la disposition d'électrodes qui vient d'être décrite est évident, en de qui concerne la fusion et l'affinage d'un métal froid tel que des riblons d'acier,des copeaux de tour, des résidus d'alésage, etc..étant donné qu'on peut faire jaillir l'arc ou les arcs sur toute l'éten- due de la charge graduellement et à mesure des besoins de- façon à réaliser une répartition plus efficace de la chaleur et par conséquent une fusion plus rapide se traduisant par une réduction de la consommation de courant et du coût de la production.
Dans'les cas où il s'agit de. réduire une matière pulvé rulente ou granuleuse comme des sables ferrugineux ou du mi- nerai broyé, la paroi du gueulard 54 pratique dans la voûte du four électrique peut être munie de bossages, protubérances ou autres saillies contribuant à réduire la vitesse de chute des minerais finement divisés en même temps qu'à les faire tomber en pluie sur l'arc électrique: La totalité ou une por- tion de la paroi interne du four qui vient en contact avec le bain peut être composée ou garnie d'un agent réducteur tel que le carbone,le charbon de bois, le graphite ou le carbure pour
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que les minerais se trouvent influences très rapidement par l'agent réducteur et que la consommation de courant soit en- core diminuée en réduisant le temps quo dure la réduction du minerai.
On conçoit que chacun des fours électriques peut compor- ter, le cas échéant, non pas deux mais n'importe quel nombre désiré d'électrodes montées comme il a été dit. Dans le fonctionnement d'une installation ainsi constituée, la matière en passant à travers le séchoir ou réchauffeur 10 vient en con- tact avec un gaz chaud constitué par les gaz d'échappement chauds du four rotatif 23 et par les gaz fournis par la boîte à feu auxiliaire 11. Aussi sa température avant son entrée dans ce four est-elle d'environ 800 0., température à laquelle la réduction a lieu dans le cas de minerais de fer.
Après avoir traversé le four rotatif dans lequel la ma- tière (du minerai de fer finement divisé par exemple) est ame- née à une température atteignant 1250 0., le minerai est réduit en fer spongieux contenant peu ou pas du tout de carbone. Ce fer spongieux sort du four rotatif à une température de 1250 0 environ et gagne directement le four électrique dans des con- ditions non oxydantes de sorte que le fer ne peut ni se refroi- dir, ni être réoxydê par exposition à l'atmosphère.
La matière peut être tout d'abord fondue à l'intérieur du four électrique, des fondants étant ajoutés après coup à moins qu'on ne préfère ajouter ceux-ci en même temps qu'on enfourne le fer spongieux ou même les faire fondre à l'avance.
Il est évident que, grâce au présent procédé, la quantité d'é- nergie électrique requise pour faire fondre le fer spongieux qui entre dans le four électrique à une température de 1250 0. environ sera considérablement inférieure à celle qui serait nécessaire si on essayait de faire fondre le fer spongieux en partant de l'état froid. A l'intérieur du four électrique,
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le métal fondu est transformé en acier de n'importe quelle teneur en carbone oq, par l'addition de matière d'alliage, en un alliage ayant toute composition désirée.
On conçoit qu'on réalise ainsi une très grande économie de temps et des aanta- ges économiques considérables surtout en raison des faits suivants:
Seule la chaleur sensible du gaz de gazogène est utilisée aussi bien dans la cornue que dans le préchauffeur de sorte qu'on dispose, après que le processus est terminé, d'un gaz combustible qu'on peut utiliser ailleurs, ou pour actionner la cornue, ou même pour un autre but. Oomme le minerai est em- ployé à l'état finement divisé, on dispose d'une très grande surface de contact entre l'agent réducteur et les gaz chauds, ce qui réduit très notablement le temps nécessaire à la bonne marche de la réduction tout en réalisant une grande économie dans la consommation d'énergie thermique.
Par ailleurs, comme le fer spongieux est transvasé directement de la cornue au four électrique dans des conditions non oxydantes et sans pou- voir se refroidir, il s'ensuit une nouvelle économie d'énergie thermique surtout dans la consommation d'énergie électrique dans le four électrique,
Il est bien évident que le présent procédé est applica- ble à la réduction de n'importe quel minerai, qu'il soit à l'état concassé pu à l'état pulvérulent comme par exemple les sables ferrugineux ou n'importe quel autre minerai finement divisé et que la transformation de ces minerais en fer spon- .
gieux et éventuellement en acier ou carbone ou en acier spé- cial de qualité supérieure, peut être poursuivie de la façon la plus économique en tirant parti de la chaleur sensible d'un agent gazeux qu'on peut produire à l'état de matières peu cour teuses et de qualité inférieure.