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DES REl>.CT1(JNS ELMTRUTHERMIQUES ".
L'invention se rapporte à une méthode de propa- gation des réactions électrothermiques, et plus particuliè- rement à la propagation, sous des températures élevées des réactions chimiques endothermiques, ou de celles exigenat de la chaleur, dans les mélanges de matières solides pouvant réagir ensemble.
On connaît sous le nom d'électrothermie la branche de la technologie qui traite de la propagation des réactions au moyen de la chaleur obtenue par transformation de l'éner-
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gie électrique. Les réactions électrothermiques s'adressent
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habituellement à l'empoi de le chaleur dans la rcacti.on, plu- tôt qu'à l'emploi de quelque effet électrique spécifique, ce qui est le cas des réactions électrolytiques. On peut cepen- dant utiliser le principal effet électrique dans certains types de procédés électrothermiques. Jusqu'ici, on a eu l'ha- @itude de propager les réactions électrothermiques par trois modes de transformation d'énergie, qui semblent épuiser les possibilités.
Certaines actions sont effectuées dans des fours à résistance, dans lesquels on obtient l'effet de chauffage par la résistance que présente un conducteur au courant élec- trique. D'autres actions se propagent dans des fours à induc- tion dans lesquels la matière à traiter constitue le secondai- re d'un transformateur à courant alternatif. Le troisième procède de transformation de l'énergie électrique en énergie calorique emploie l'arc électrique. C'est à. ce dernier procé- de que se rapporte princ@@alment la présente invention.
La valeur principale des éthodes de chauffage électrothermique consiste dans ce fait qu'elles donnent un @oyen pour obtenir de hautes températuresen l'absence d'im- puretés. L'expérience a montré que les procédés électrother- sont nécessairespour les réactions qui ont lieu au- dessus de 1.400 C. et qu'ils sont préférables lorsqu'on désire obtenir des produits très purs.
Sauf quand les con- ditions économiques sont défavorables, on peut employer des procédés électrothermiques car ils permettent d'obtenir un nouveau produit ou un produit encore plus pur. 'On comprendra bien naturellement que l'on reut employer les autres méthodes en liaison avec l'électrothermie afin d'obtenir des produits purifiés;
on peut indiquer les procédés électrothermiques bien /
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que l'on n'emploie pas la baute température de l'arc, qui peut -lier au-dessus de 3.000 C. malgré ces avantages bien reconnus, les prix comparatifsde l'énergie électrique et des combustibles ont empêché un plus grand développement de 1'électrothermie, car la plupart de ces procédés ont malheureusement un faible ren- dement thermique . On atteint dans quelques cas particuliers des rendements élevés. Toutefois, dans la plupart des cas des rendements même inférieurs à 5 % sont communs.
On comprendra donc aisément qu'il est désirable d'avoir un moyen d'augmenter le rendement thermique final de la reaction. Une difficulté habituelle dans ce sens réside dans ce fait que, d'après la pratique actuelle, la chaleur de l'arc n'est pas donnée avec une rapidité suffisante à la matière à traiter afin de pro- duire la réaction voulue. la chaleur tend à rayonner à l'ex- térieur de l'appareil plutôt qu'à l'intérieur. On doit encore remarquer ceci.
Le fait que beaucoup de procédés par l'arc électrique dépendent du rayonnement de l'arc au bâti constitue une grande difficulté pour obtenir des rendements plus élevés par des moyens ordinaires et empêche la propagation de ces réactions qui peuvent seulement avoir lieu dans la partie la plus chaude du four, c'est-à-dire à l'intérieur de l'arc lui- même .
Ces considérations étant faites on peut dire main- tenant que la présente invention fournit certains perfec-
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tioruienefits à la technique des procédés éleotrothermiques. Le rendement en est augmenté. De plus, en utilisant le maximum de temperature existant dans 7¯' arc lui-même, on peut aussi propager certaines réactions nouvelles.
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A un autre point de vue, l'invention embrasse le traitement des matières que l'on ne peut employer comme ma- tières premières utilisant des méthodes ordinaires. Un pro- blème commun dans l'industrie métallurgique aussi bien que dans l'industrie électrothermique consiste dans l'utilisation de matières fines contenant les matières voulues, tout en n'étant pas utilisables rarce que très divisées. On sait bien que ces matières, telles que les escarbilles des cheminées des hauts-fourneaux, les scories d'aluminium, etc., contiennent des pourcentages élevés de metal utilisable, mais il est ex- trêmement difficile de fondre et de récupérer ces poussières.
De telles substances mises dans un bain de metal fondu, ou soumises à un courant de gaz chauds, sont rapidement disper- sées. Elles son,,: ainsi eloignées de la sphère où la réaction a lieu avant mène de pouvoir être traitées. Suivant la pré- sente invention, on donne des moyens pour traiter par la cha- leur ces escarbilles perdues, et pour s'assurer en même temps que la réaction voulue a lieu.
A un autre point de vue encore, l'invention peut être considérée comme donnant des moyens perfectionnés pour commander les réactions entre matières réactives solides, ou entre des matières solides et des matières gazeuses. Jusqu'ici on a proposé d'a@imenter la charge d'un four, chauffé soit électriquement, soit au moyen de combustibles gazeux, en em- ployant une trémie verticale à travers laquelle la charge peut tomber par gravité. On emploie cette manipulation dans le fonctionnement ordinaire des hauts-fourneaux. Dans ceux- ci on donne une charge de minerai, de fondant et de charbon au moyen d'une trémie située au sommet du fourneau.
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Suivant la présente invention, on évite de pré- férence ces dispositifs d'alimentation par gravité. En effet, ils ne permettent pas le traitement de la manière voulue de nombreuses substances que l'invention peut concerner à d'au- tres points de vue. Ils ne permettent pas non plus une com- mande convenable. Les réactions entre particules de matières solides sont notoirement lentes. Cela tient au fait que ces particules ne peuvent réagir qu'une fois en contact les unes avec les autres. En réduisant ces particules solides réactives à l'état de fine division, et en les mélangeant de façon à avoir pratiquement un mélange homogène, on est dans la situation où la surface de contact est considérablement augmenté. Les diverses réactions se propagent d'une manière beaucoup plus rapide et efficace quoiqu'il en soit.
Lorsque l'on traite des charges réactives ainsi mélangées, on doit se rappeler qu'il est/nécessaire d'avoir des moyens de com- mander les proportions de la réaction. En d'autres termes, la réaction doit se faire assez vite par endroits et ne doit pas avoir lieu en d'autres points du mélange. Suivant l'in- vention, on fournit un ensemble de moyens permettant à la charge de se déplacer progressivement dans des conditions voulues et dans la zone de réaction. On peut ainsi obtenir un contrôle satisfaisant de la réaction entière.
On comprendra mieux les quelques traits qui sui- vent ainsi que d'autres qu'il n'est pas nécessaire de traiter ici spécifiquement, en considérant une application de l'in- vention à des procédés particuliers. On décrira d'abord le four dans lequel les réactions peuvent se propager. On com- prendra bien que le type d'appareil que l'on va décrire est susceptible de nombreuses variantes et modifications suivant
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les différentes méthodes de traitement des diverses substan- ces.
L'unique figure du dessin représente une coupe d'un four électrique de construction carrée. Le chiffre 10 représente un bâti de plaques métalliques à l'intérieur, du- quel se trouvent les couches de matières réfractaires telle qu'une couche de magnésite 11 avec un revêtement de briques 12. Le four a deux ouvertures disposées axialement 13 et 14 pour permettre l'introduction des électrodes 15 et 16 . Une ouverture 17 est ménagée dans le toit du four. Il y aura avan- tage à la placer juste au-dessus des extrémités des électro- des pour permettre l'évacuation des gaz du four. Un trou de vidange pour les matières obtenues est prévu dans la paroi inférieure de ce four, suivant la pratique habituelle.
L'électrode 15 est en graphite et peut être en- tièrement solide. Pour permettre le mouvement longitudinal, on monte l'électrode sur un tablier de support 18. Ce tablier eut être fixé à la paroi latérale du four au moyen d'une lu- nette pouvant coulisser. On manoeuvre cette lunette de la ma- nière habituelle au moyen d'une roue ayant une poignée 21, cette roue commandant un ensemble vis et écrou 22. L'électro- de 15 est solidement fixée dans la lunette au moyen d'un crampon ayant la forme d'un 0 23. A ce crampon on peut fixer un fil 24 amenant le courant électrique. On peut sceller par de la terre réfractaire l'espace compris entre l'électrode 15 et l'ouverture 13.
L'électrode 16 est formée d'un creux longitudinal.
Elle est munie a son extrémité extérieure d'un épaulement fileté 27 qui s'engage dans les filets dont est munie l'ex-
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trémité d'une enveloppe servant à l'alimentation 28 placée
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horizontalement....;ug.lr.81()ppo 28 pluoôo L'en- veloppe 28 est montée dans une lunette 29 semblable à 19 et mise sur un support 30 fixé lui-même à la paroi latérale du four . L'enveloppe 28 présente un creux élargi 31 . Dans ce creux se trouve un convoyeur à vis à ajustage serré 32 for- mé sur un arbre 33 en saillie à l'extérieur.de l'enveloppe.
L'extrémité de l'arbre repose sur des paliers (représentés schématiquement) et porte une roue d'entraînement 34 permet.-- tant de faire tourner la vis. L'arbre 33 est muni d'un creux longitudinal 35 communiquant au moyen d'ouvertures latérales aux divers points situés le long de la vis. L'extrémité ex- térieure du creux 35 communique avec un tuyau flexible 37 qui assure l'introduction de quantités réglées de gaz dans le creux 26 de l'électrode 16; on dispose une trémie 38 sur la partie supérieure de l'enveloppe 28. Elle permet d'introdui- re les matières solides jusqu'à la vis 32 et par elle dans le four.
En fonctionnement, l'arc jaillit entre les élec- trodes 15 et 16 en rapprochant l'électrode mobile 15 de façon à la mettre en contact avec l'électrode 16 puis en l'éloi- gnant de la distance voulue. On effectue cette manoeuvre en se servant de la roue à poignée 21 que l'on peut ensuite action- ner de temps à autre pour faire rentrer l'électrode dans le four et commander la densité de l'arc. Pendant le fonction- nement les électrodes s'usent en effet, et un tel dispositif de réglage est nécessaire. Les deux électrodes peuvent être réglables et munies de creux longitudinaux. Toutefois l'arran- gement que représente le dessin a l'avantage de la simplicité.
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Il se prête de plus assez bien à l'expérience.
On introduit alors une charge de matière solide telle que de l'hématite finement divisée, et' mélangée, de la chaux, du coke, dans l'arc par l'intermédiaire d'une trémie 38. Progressivement la charge est'transportée dans l'intérieur du creux 26 de l'électrode par la rotation dé la vis 32. La partie de l'électrode 16 située à l'intérieur du four est extrêmement chaude. La réaction dans la charge a lieu quand celle-ci passe à travers le.creux 26 et dans l'arc. La proportion de réaction est déterminée par la va- riation de vitesse de la vis 32, les dimensions des parti- cules qui composent la charge ainsi que par la proportion de la charge dans la trémie. L'alimentation en matière de chargement par le conduit 26 est obligatoirement commandée.
Sa température croit pendant sa marche jusqu'au point où la réaction voulue se produit.
On emploie avantageusement dans de nombreux cas le dispositif d'alimentation en gaz 37. Dans quelques cas on peut introduire un gaz comme une substance entrant en réac- tion ou aidant à cette réaction, et ayant ainsi une fonc- tion chimique. Dans d'autres cas, le gaz a un rôle purement mécanique. L'addition du gaz producteur ou de 00 a la charge du minerai¯de fer, de fondant et de charbon, comme on l'a déjà dit, peut être pris comme un exemple des deux rôles joués à la fois. La réduction du minerai à l'état de métal est ac- compagnée d'un dégagement de 00 et de CO2 qui passent-par la cheminée 17. On les y prend pour les utiliser.
Une fai- ble partie de ces gaz peut être aspirée par le tuyau 37 et s' échappe dans la charge qui arrive par les trous 35 et 36 mé-
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nagés dans l'arbre de la vis 33. Les gaz se mêlent avec la matière solide et maintiennent sa légèreté, ce qui permet le passage de la charge dans la partie chaude de l'électro- de 16. A la'température inférieure que l'on rencontre à la paroi du four, ces gaz établissent ou accélèrent une réaction à basse température parmi les corps qui composent la charge, ayant par là un rôle chimique. La pression des gaz à l'in- térieur et autour de la vis 32 réduit aussi la tendance que la charge possède de descendre dans la trémie par suite de la pression plus élevée des gaz à l'intérieur du conduit 26 en ses partiesplus chaudes.
La Charge,réactive après avoir passé dans le con- duit chaud, est avantageusement éjectée directement dans l'arc lui-même. Puisqu'on ne peut pas introduire directement des matières pulvérulentes dans l'arc, on comprendra bien qu'en raison de l'augraentation progressive de la température à laquel- le la matière a déjà été soumise, elle est, au moment de Déjection, soit à l'état fluide soit à l'état gazeux. Si la matière est fluide, elle tombe à travers l'arc en une mare liquide sur le foyer du four, d'où on peut l'extraire soit de temps en temps, soit d'une manière continue. Les gaz s'é- chappent par la cheminée 17 et peuvent être recueillis par divers.procédés convenables.
En parlant plus haut du caractère de la charge de matière solide on peut expliquer que ces mots de défini- .tion ont été employés pour le but à atteindre. Par matière fine on entend de la matière solide réduite en particules présentant la surface suffisante leur permettant de réagir avec les autres particules solides et cela d'une manière as-
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sez rapide. Ces particules ne peuvent être injectées ou obli- gées à passer dans une zone chaude sans être soufflées. On. peut les utiliser de toutes les manières connues dans la mé- tallurgie moderne. Les particules doivent naturellement être assez finement divisées pour passer à l'intérieur de l'électro- de sans adhérer les unes aux autres, si on désire un fonction- nement satisfaisant.
Il n'y a pratiquement aucune limite inférieure à la dimension des particules, car de telles ma- nières que les escarbilles peuvent être directement mani- . pulées sans briquettage préalable. En pratique les conditions et les facteurs économiques doimeront ledegré de division qui convient le mieux dans chaque cas particulier.
De même l'invention prévoit le mélange de la char- ge de façon à obtenir un tout homogène. Cette nondition per- met d'atteindre un grand rendement dans la réaction, bien qu' il puisse exister des cas dans lesquels les frais de mani- pulation nécessitent un mélange moins intime.
Quant aux électrodes, il est bien évident que l'on peut en employer plus de deux. Leur nombre doit être choisi de façon à servir de conduites de charge. Il n'est pas obli- gatoire d'utiliser une électrode creuse comme conduit de char- gement, mais dans la plupart des cas, on a trouvé que c'é- tait la meilleure façon de procéder. Le graphite est extrême- ment réfractaire. Il résiste bien aux réactions se produisant à l'intérieur du conduit et convient bien pour cet usage. Si on le désire cependant, ou employer une conduite d'alimen- tation séparée débouchant à l'intérieur ou en un point voisin du point chaud du four.
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La position des électrodes est, quoiqu'il en soit, étroitement reliée à l'exercice d'une commande convenable. La position horizontale est la meilleure. La position verticale ne convient pas du tout. Les électrodes disposées verticale- ment jouent le rôle des trémies dans lesquelles la charge tombe par gravité. Avec des électrodes horizontales, on peut exercer un contrôle sévère. On a trouvé que les avantages que présentent les électrodes inclinées soit vers le haut soit vers le bas, étaient, dans la plupart des cas, inférieurs à leurs inconvénients. On peut avoir recours à des électrodes inclinées occasionnellement et dans des cas spéciaux.
On peut régler la pression à l'intérieur du four en mettantun registre dans la cheminée 17. La pression étant inférieure à la pression atmosphérique, il y aura une légère perte d'air dans le four, mais on peut dans ce cas récupérer tous les gaz combustibles. Des pressions plus élevées crée- ront une fuite vers l'extérieur mais protégeront les produits de la réaction de tout contact avec l'oxygène ou l'azote. Il y aurait dans ce cas danger d'empoisonnement des ouvriers.
Oes considérations étant faites, on ne croit pas nécessaire de discuter en détail les autres altérations ou con- dit-ions variées de fonctionnement qui peuvent se présenter quand on réalise l'invention. On décrira maintenant l'invention suivant le traitement des matières. diverses pour former des produits métallurgiques ou électrothermiques.
On s'est déjà reféré à la réaction type : mé- tallique + charbon + métal produisant la chaleur + oxyde de carbone dans la fabrication des fontes de première fusion.
On peut dire qu'en fabriquant cette fonte suivant l'invention /
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on peut obtenir un métal qui est exceptionnellement dépourvu de tout sulfure et de toute autre impureté, d'une faible te- neur en charbon et montrant une excellente cassure et une structure cristalline. Il n'y a aucune difficulté pour sé- parer le méta-1 de sa gangue. Alors que des conditions éco- nomiques peuvent militer contre l'usage étendu de l'invention pour le traitement de l'hémalite pure (que l'on peut réduire dans le haut-fourneau) elle peut néanmoins s'appliquer pour la récupération des escarbilles et poussières obtenues main- tenant comme produits perdus dans l'industrie de haut-four- neau.
Ces matières riches en fer, sont si fines qu'elles ne peuvent être traitées d'une manière satisfaisante par les mé- thodes métallurgiques actuelles. On a récupéré du métal -des escarbilles sans avoir une perte quelconque de matière brute à cause des courants qui se produisent et éloignent la poudre de la zone de réaction.
L'invention s'applique d'elle-même aux ferro-allia- ges. On a rencontré, par exemple, dans la fabrication des ferro-manganèses, les conditions suivantes. En travaillant avec des électrodes de graphite de 10 centimètres ayant des ouvertures de 37 c/m, on a trouvé que l'arc absorbe initia- lement un grand courant. Ce courant varie entre 1.000 et 2.000 ampères. La décharge s'accompagne d'un crépitement et d'un bruit considérables. On a employé une charge faite de pro- portions habituelles de fer et de pyrolusite mélangés avec une masse de charbon légèrement supérieure au chiffre théori- que, et avec la quantité normale de fondant.
Comme les ma- tières se déplacent à travers l'arc, la consommation de cou-
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rant diminue considérablement et le bruit emis par l'arc peut être comparé avec justesse au ronflement tranquille et ré- gulier d'un moteur d'automobile ayant un bon silencieux. L'ex- cès de charbon, employé pour empêcher toute corrosion nuisi- ble de l'électrode de graphite, n'a aucun effet néfaste sur la pureté du produit final. Une masse de ferromanganèse ob- tenu par ce procédé a donné à l'analyse une proportion de 0,37 pour cent de charbon. Le pourcentage des autres impuretés habituelles était extrêmement faible.
Endépit de la tendance que possède le silicium de réagir sur le graphite aux températures élevées, on a pu obtenir sans difficulté un ferro-silicium suivant la présente invention. La charge peut consister de sable pur, de fragments de fer de charbon et de fondant. Le produit obtenu a les mê- mes avantages physiques et chimiques que ceux énumérés ci- dessus. On n'a éprouvé aucune difficulté due à la corrosion de l'électrode. On a observé, au contraire que le creux de l'électrode présentait une surface unie en fin d'opération.
Les différents ferro-alliages, soit binaires, soit tertiaires peuvent être obtenus de la même manière. Il est donc superflu d'accumuler les exemples..
Dans la fabrication du carbure de calcium par l'ac- tion de la chaux sur le charbon, il vaut mieux se servir d'une électrode présentant un grand creux. Des électrodes de vingt centimètres ayant une ouverture de douze centimètres et demi conviennent. Initialement l'électrode entre en réaction et l'on peut s'attendre à une légère détérioration de cette élec- trode. Cependant sa surface ne doit pas devenir assez rugueuse pour empêcher le passage continu de la charge. L'emploi d'un
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gaz, lui donnant de la légèreté, est .-lors indiqué. L'emploi de matière finement pulvérisée est encore conseillé dans ce cas.
Les carbures des métaux plus lourds ont une grande valeur à cause de leur dureté, et peuvent être obtenus de la même manière. Dans la fabrication du carbure de tungstène utilisé ensuite dans les aciers à outil, on constitue la char- ge de fragments de tungstène, de ferro-tungstène avec un lé- ger excès de charbon, afin de protéger l'électrode. Jusqu'à maintenant on n'a obtenu ce corps qu'avec une très grande difficulté, due à la température extrêmement élevée néces- saire à cette réaction. On a obtenu jusqu'ici ce corps sous - la forme de très petites particules que l'on rassemble dans une matrice d'un métal ayant un point de fusion inférieur, tel que le cobalt. En fabriquant le carburé de tungstène suivant l'invention, on emploie un arc aussi chaud que pos- sible, un chargement réduit finement en poussière .
Il vaut mieux déplacer cette charge lentement dans le conduit. Tout ceci est fait afin d'avoir un produit de réaction coulant facilement. Dans ce produit le carbure de tungstène peut former une masse continue liquide ou semi-liquide ainsi qu'une substance plastique déposée sur le foyer de l'arc. Le produit qui se forme sur le foyer du four comprend de grandes quan- tités de carbure de tungstène. On peut l'enlever et l'em- ployer dans l'industrie sans utiliser une matrice. On remar- que ce produit en particulier comme étant un exemple des avantages qui dérivent de l'emploi de la température maximum de l'arc, au lieu d'utiliser seulement ses radiations.
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Le procédé précédent n'empêche évidemment pas l'in- troduction de matières additionnelles dans le produit final de la réaction.
Les abrasifs silicieux, tels que le siliciure de bore peuvent être obtenus de la même manière. Le meilleur procédé de fabrication du carbure de silicium ou c arborandum, est l'emploi d'un arc de faible densité dans le but d'évi- ter la dissociation du produit final en silicium et en car- bone .
En commandant d'une façon convenable la charge de silice et de charbon on peut, comme on l'a établi déjà ; produire du carborandum on peut encore, en employant des tem- pératures élevées libérer le silicium sous la phase vapeur.
On recueille les vapeurs au moyen d'un condenseur convenable relié à la cheminée d'échappement 17. En travaillant avec les produits de silicium, on a trouvé que les réactions ini- tiales qui ont lieu entre l'électrode de graphite et la si- lice forment une couche de protection empêchant les pertes d'électrodes. On peut par le même procédé obtenir d'autres produits à l'état de vapeur, tels que de la poudre de zinc.
Par les exemples qui précèdent on comprendra bien que l'invention s'applique aux divers usages spécifiques. Dans ces usages sont compris la réduction des minerais complexes de nickel et de fer, la fabrication de l'affinage des métaux, la fixation de l'azote de l'air par l'emploi de la cyanamide, la préparation des divers alliages, des carbures, des siliciu- res, la récupération des matières pulvérulentes, et diverses autres conditions .appartenant au champ métallurgique et élec-
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trothermique. Cependant de tels détails d'utilisation appa- raîtront aux techniciens. Ces spécifications rentrent dans l'esprit de l'invention.