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METHODES ET APPAREILS POUR L'AMELIORATION OU LA TRANSFORMATION @ DES MINERAIS EN METAL.
Cette invention concerne le traitement des minerais par des appareils et des procédés destinés à améliorer ces minerais et à augmenter leur teneur en métal. Elle concerne particulièrement les fours et procédés de transformation des minerais en métal.
Les méthodes standard de traitement des minerais, tels que les minerais de fer par exemple, ne conviennent qu'aux minerais de fer en gros blocs, sinon l'opération transforme une partie considérable du minerai en poussière perdue.
En outre, ces modes de traitement ne peuvent utiliser les minerais en poudre, parce que celui-ci tend à s'accumuler sur les parois et à encrasser l'intérieur du four.
Comme les minerais en poudre ou finement divisés ne peuvent être utilisés directement dans les types usuels de hauts
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fourneaux, il en résulte qu'il faut renoncer à traiter certains types de minerais qui ne se présentent pas en gros blocs avec une proportion suffisante de fer ou d'oxyde de fer pour rendre l'opération possible commercialement parlant.
Certaines formes de minerais magnétiques, par exemple, se présentent mélangés à de la roche et doivent être pulvérisés très finement pour séparer la roche du minerai magnétique, afin d'obtenir un minerai oonoentré. D'autres minerais magnétiques se trouvent dans des terrains sablonneux sous une forme finement divisée, et sont facilement concentrés en un minerai à haute teneur de fer, par séparation magnétique.
Les minerais de ces types ne peuvent être traités dans les hauts fourneaux ordinaires s'ils n'ont été, au préalable, agglomérés ou formés en blocs de taille convenable. Cette première opération augmente le prix de revient du fer et ôte tout profit à la production du fer.
Il existe également des procédés de traitement à basse température, dans lesquels le four est chauffé extérieurement. Le traitement est obtenu par contact des grosses particules de minerais avec une colonne montante de gaz. Ce procédé ne convient qu'à très peu de minerais; on ne peut l'utiliser pour le traitement des minerais de fer.
Cette invention a notamment pour objet de réaliser un appareil et un procédé qui rend commercialement praticable la production de fer, d'acier ou d'alliage d'acier en partant de minerais finement divisés.
Un autre objet de cette invention est de réaliser des appareils et des procédés au moyen desquels des minerais finement divisés peuvent être traités et transformés en métaux finement divisés d'un haut degré de pureté.
Cette invention a encore pour objet de réaliser des
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appareils et des procédés au moyen desquels des alliages de fer ou d'acier peuvent être produits dans des fours, avec des minerais de fer et des alliages ajoutés.
L'appareil plus particulièrement décrit ci-dessous, et les procédés caractérisant notre invention, peuvent être employés à l'amélioration et pour le traitement de toutes sortes de minerais.
Ils conviennent particulièrement au traitement du minerai de fer ou d'autres matériaux à base de fer. Ils conviennent particulièrement au traitement des minerais magnétiques, de même qu'aux oxydes de fer, carbonates der fer, et aux fers mélangés de soufre.
Généralement, l'opération consiste à charger le minerai finement divisé et les agents de réduction dans un four; dans ce four on fait agir une colonne en mouvement de gaz de réduction ayant une vitesse suffisante pour maintenir le minerai et les agents de réduction en suspension jusqu'à ce que le minerai soit transformé en métal. Les charges de minerai doivent être telles que le courant d'air, la flamme ou le courant gazeux puisse maintenir les particules de minerai en suspension pendant une période définie de temps. La quantité et volume de gaz et de flamme produit par combustion du combustible injecté sont déterminés par le poids spécifique de chaque minerai traité, et par la dimension et le poids des particules du minerai.
Nous avons établi que la vitesse du gaz dans le four doit varier entre 4 et 10.000 pieds par minute, selon la dimension du four et selon la taille et le poids des particules.
L'air, le combustible et les matières réductrices mélangés au minerai doivent être en proportion telle que l'on conserve dans le four une atmosphère favorable d'oxyde de carbone. Ce dernier peut alors se combiner avec l'oxygène ou les oxydes du minerai pour produire de l'anhydride carbonique et du métal. Il est bien entendu qu'un excès de combustible doit être prévu et que le volume d'air et
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les pressions dans le corps du four, aussi bien que la température dans le dit corps seront telles que l'oxyde de carbone soit toujours présent, en contact avec le minerai, ce qui permet au dit oxyde de carbone de réagir avec le minerai et de réduire l'oxyde métallique en métal.
Une autre condition du procédé est que l'anhydride carbonique doit être évacué ou retransformé en oxyde de carbone aussi rapidement qu'il est formé de sorte que la possibilité de réoxydation du métal réduit soit sérieusement diminuée.
Une caractéristique importante du procédé est que le minerai finement concassé parce que maintenu en suspension, est en contact intime et continuel avec les agents de réduction. Les particules finement divisées du minerai présentent une grande surface. La réduction initiale du minerai en métal se fait avec une grande rapidité et une couche d'anhydride carbonique se forme sur les particules. Ce fait est supprimé par frottement des particules dans la colonne de flamme en turbulence aussi rapidement qu'il se forme, ce qui permet d'obtenir une rapide réduction du métal.
Les dimensions des particules de minerai peuvent varier considérablement, mais de préférence il est avantageux de réduire le minerai en une poudre impalpable. Il peut être réduit en particules colloïdales, obtenues en soumettant le minerai finement divisé et l'huile, à, l'action d'un "colloid mill". Un Colloide d'Eppenbach est tout à fait convenable à cette préparation. Des agents réducteurs tels que le charbon peuvent être ajoutés à l'huile avec le minerai et réduits à l'état colloïdal.
L'appareil pour l'application du procédé est construit pour permettre l'injection du combustible et de l'air avec grande turbulence à l'intérieur du four. Dans une certaine réalisation les tuyères d'injection de combustible et d'air sont dirigées tangentiellement à la périphérie du four, ce qui crée une colonne de flamme en giration, dirigée vers le haut. Cette flamme contribue à donner un mouvement rapide aux particules de minerai et,de même maintient celles-ci en
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suspension. Dès que leur poids a suffisamment augmenté par suite de la transformation de l'oxyde métallique en métal, les dites particules sont éliminées par la force centrifuge ou déposées sur le sol du four par suite de l'augmentation de leur densité.
Il est évident que les injecteurs de combustible et de minerais, peuvent être disposés de toute façon désirée, mais devront permettre d'obtenir une colonne de flamme turbulente de vitesse suffisamment élevée pour soutenir le minerai dans le four jusqu'à ce que ce minerai soit réduit en métal.
De même, la turbulence peut être commandée par l'utilisation de déflecteurs. Des déflecteurs hélicoïdaux seront utilisés pour obtenir un flux en forme de spirale de gaz et de flamme.
Le four peut être tronqué vers le haut pour créer une action tourbillonnante de vitesse progressivement croissante, de sorte que les particules entraînées vers le haut par le flux de gaz,seront finalement éliminées par la force centrifuge croissante ou déposées par suite de leur poids spécifique croissant.
Des mécanismes appropriés peuvent être utilisés pour retirer les particules métalliques de la zône de turbulence et éliminer les résidus poussiéreux.
Si désiré, la charge de minerai avec l'agent réducteur qui peut être de l'hydrogène ou un hydrocarbure, du carbone ou du charbon, ou autres matières charbonneuses en liquide, gaz, poudre ou forme colloïdale, peut également être introduite à l'intérieur du four par tout système d'injection approprié. Ces injecteurs peuvent ou non être dirigés radialement vers l'intérieur du four et peuvent être dirigés soit dans la même direction que les injecteurs de combustible, soit dans la direction opposée.
Il est évident que tout type de combustible peut être utilisé pour le chauffage du four ou pour la réduction des gaz, mais il est préférable d'employer des combustibles tels que du carbone finement pulvérisé, du charbon ou du coke, de l'huile, de l'oxyde de carbone,
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des gaz hydrocarbures ou de l'hydrogène.
Le procédé peut être réalisé à une température telle que le métal réduit ne soit pas à l'état de fusion . On a trouvé que Inaction réductrice peut être obtenue à des températures inférieures au point de fusion du métal issu du minerai, et ce mode opératoire est avantageux en ce que le métal absorbe moins facilement le carbone, le soufre ou autres impuretés qui sont généralement absorbées par le métal en fusion. Le produit obtenu sera ainsi dans un état plus pur que par tout autre procédé usuel.
En outre, si désiré, le procédé peut être réalisé à une température suffisamment élevée pour produire du métal fondu qui peut être amassé au fond du four. Dans ce cas, il est souhaitable d'introduire des fondants pour séparer les impuretés du métal réduit.
De même, différents matériaux peuvent être introduits pour produire directement des alliages de n'importe quelle composition à partir du minerai traité.
Pour une meilleure compréhension de l'invention on se reportera au dessin suivant sur lequel :
La fig. I est une élévation latérale du four, en partie coupée, et en coupe partielle.
La fig. 2 est une coupe du four suivant 2 - 2 de la fig.I
La fig. 3 est une section verticale d'une forme modifiée du four.
La fig. 4 est section suivant 4 - 4 de la fig. 3.
La fig. 5 est une section verticale d'une autre forme de four.
La fig. 6 est une section suivant 6 - 6 de la fig.5.
Suivant la forme illustrée sur les fig. I et 2, le haut fourneau consiste en un corps central 10 ayant une partie inférieure 12 cylindrique et une partie supérieure tronconique 14. Le corps central 10 est logé dans une enceinte cylindrique de manière à
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former un espace annulaire destiné à recevoir une partie du métal réduit projeté vers l'extérieur par la force centrifuge de la colonne tourbillonnante de flamme et de gaz dans le four. Une certaine partie du métal peut être déposée dans le corps oentral 10, par suite de l'accroissement de la densité. Le corps central est fermé à l'aide d'un couvercle tronconique 18 supporté par la paroi 16 à sa partie supérieure.
Dans la partie centrale du couvercle est montée une cheminée d'évacuation 20 se prolongeant vers le bas à travers laquelle passent les produits de combustion et les gaz produits par l'action réductrice. La cheminée 20, de préférence, a son arête inférieure plus basse que le bord supérieur du corps central 10, de manière à former un décanteur 22 pour séparer les particules métalliques de la colonne de gaz et de flamme. La cheminée 20 peut être reliée à un collecteur de poussière, non représenté, de tout type désiré, pour recevoir ou récupérer les poussière de minerai et les particules métalliques qui pourraient être entraînées hors du four par la colonne de gaz.
Combustible et air sont envoyés dans le corps central 10 par un certain nombre d'injecteurs 24 qui traversent les parois 14 et 16 et ont leurs extrémités disposées dans le four. Ainsi qu'il est représenté sur la fig.2, les injecteurs de combustible 24 sont disposés non-radialement par rapport au four et tous dirigés dans la même direction, ce qui permet, sous l'injection de oombustible et d'air, d'obtenir une rotation de la colonne de gaz et de flamme dans toute la hauteur du four. Les injecteurs 24 peuvent être dirigés parallèlement à la base du four, ainsi qu'il est représenté en traits pleins sur la fig.I, ou encore inclinés sur l'horizontale, comme indiqué.en traits pointillés sur la même figure.
De même, l'angle sous lequel les injecteurs 24 sont inclinés par rapport au diamètre du four, peut varier entre la direction radiale (indiquée sur le fig.2 en'.traits pointillés) et la direction tangentielle (indiquée en traits pleins sur la même figurer.
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Le minerai finement pulvérisé, les agents de réduction tels que charbon en poudre, coke ou carbone et les fondants peuvent être introduits par les tuyères d'alimentation 26 qui sont placées sous les injecteurs de combustible 24. Les tuyères d'alimentation peuvent être disposéesnon radialement dans le four pour amener la charge dans la colonne tournante et turbulente de flamme et de gaz. L'inclinaison des tuyères 26 peut changer par rapport au rayon du four et par rapport à l'horizontale.
De même, les tuyères d'alimentation de minerai peuvent être placées sous les injecteurs de combustible pour envoyer le minerai vers le haut dans la colonne de flamme. Le minerai peut aussi être chargé par le couvercle du four et tomber dans la colonne de flamme. Le nombre des tuyères et injecteurs 24 et 26 est variable.
Tout type de soufflante peut être employé pour injecter le combustible, l'air et la charge dans le fourneau. Beaucoup de ces soufflantes pour combustible finement pulvérisé, sont connues sur le marché et il n'est pas nécessaire de les décrire.
Le corps d.u fourneau 10 et la paroi extérieure 16 peuvent être munis de portes de nettoyage 28 et 30, respectivement, pour retirer le métal réduit et les cendres accumulées ainsi que les résidus solides produits en cours de fonctionnement.
En marche, combustible et air sont injectés par les injecteurs 24 et brûlés; le corps du four est alors porté à la température désirée. Le minerai finement divisé et les agents de réduction sont alors soufflés à travers les tuyères 26 dans la colonne de flamme produite par la combustion et les particules de minerai entraînées en tourbillonnant dans cette colonne sont soufflées vers le haut. De cet-, te façon, toutes leurs surfaces sont en contact avec les gaz réducteurs crées par la combustion partielle du combustible. Les particules frottent les unes contre les autres dans la colonne, ce qui supprime l'enveloppe d'anhydride carbonique formée, et permet à l'action
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réductrice de pénétrer rapidement au centre des éléments finement divisés.
La colonne montante de gaz et de flamme soulève les particules vers le haut et les fait monter à une vitesse angulaire de plus en plus élevée due à la diminution de section du four. La force centrifuge exercée sur les particules de minerai réduit pousse cellesci jusqu'au bord extérieur de la colonne où elles sont décantées par 22 et progressivement déposées dans l'espace annulaire compris entre le corps du four 10 et la paroi extérieure 16, d'où elles peuvent être extraites par les portes 28. Le reste peut être déposé par augmentation du poids spécifique. L'anhydride carbonique dû à la combinaison de l'oxyde de carbone produit par la combustion avec l'oxygène séparé du minerai passe par 'la cheminée 20.
Les produits gazeux de combustion et de réaction ainsi que la poudre métallique entraînée ou des poussières passent ensuite au séparateur où les poussières sont retenues. Ce qui est obtenu peut être soumis à une opération de séparation magnétique et les particules métalliques mélangées avec l'autre métal réduit.
Sur les figures 3 et 4, est représentée une autre réalisation de haut fourneau. Ce modèle comprend un corps 40 de forme généralement cylindrique, supporté sur un socle 42 qui est muni d'une ouverture de nettoyage 44. Cette dernière peut être munie d'une porte à charnières 46 à travers laquelle le métal reduit et les autres matières non-métalliques, telles que les cendres peuvent être retirées.
Le four 40 est, de préférence, monté sur un socle 42 écarté du sol d'une distance suffisante pour que les wagons de chargement puissent passer par dessous. Cette surélévation du four peut être obtenue en montant toute la structure sur un système de poutres 48 qui sont scellées à leurs extrémités.
Le four 40 peut être fait en briques résistant au feu, matériaux réfractaires ou alliages résistant à la chaleur de tout type désiré, et renforcé longitudinalement au moyen d'une poutraison 50 s'étendant le long de ce four . Ce dernier peut également être
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renforcé contre les tensions latérales par des bandes d'acier enveloppantes 52 espacées sur la hauteur de l'appareil. Le haut du four 40 est fermé par un couvercle conique 54 solidaire avec lui qui peut être renforcé au moyen d'une chape métallique tronconique 56.
Un tube d'évacuation 58 descend vers le bas de l'appareil et au centre de la coiffe conique 54. Ce tube peut être fait en tout matériau réfractaire désiré et il est, de préférence, relié au collecteur de poussières, non représenté, et de tout type que l'on voudra, tel qu'un séparateur électrostatique.
Ainsi qu'on le voit mieux sur la figure 4, le four 40 peut comporter un certain nombre d'ouvertures 60 pour le chauffage qui débouchent non radialement au centre du four 40. L'inclinaison de ces ouvertures peut varier comme il a été précisé dans la description des figures I et 2. Le corps 40 est également muni d'un certain nombre de tuyères d'alimentation de minerai 62, qui, ainsi qu'il est montré sur la figure 4, sont dirigées non radialement par rapport au four.
Les tuyères 62 peuvent être d'inclinaison variable sur l'horizontale et par rapport au rayon du four de la même manière que sur les figures I et 2.
En fonctionnement, le combustible est injecté par les ouvertures 60 avec mélange d'une quantité d'air suffisante pour la combustion et le chauffage du four 40. La combustion produit de l'oxyde de carbone et une colonne de flamme ou de gaz, dont la vitesse est suffisante pour arrêter pour un temps, une charge continue de minerai à l'état pulvérulent et un agent de réduction tel que du coke ou du charbon en poudre. La charge est envoyée par les tuyères 62 en contact avec la colonne de flamme turbulente et les gaz réducteurs. Elle est soulevée vers le haut du four et soumise à la force centrifuge. Cette force et l'augmentation du poids spécifique des particules, due à la réduction, rejettent celles-ci à l'extérieur ou les déposent dans une zone relativement calme adjacente à la paroi
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du four 40.
Les particules de métal réunies,cendres et autres impuretés peuvent être extraites par l'ouverture 44 et soumises à un traitement de séparation pour retenir le métal purifié. Il est évident que la température du four peut être réglée par la quantité de combustible injectée, et, si l'on veut, une température suffisamment élevée peut être obtenue pour réduire le minerai et obtenir le métal à l'état de fusion. De même, des mélanges et fondants peuvent être injectés avec le minerai pour produire un alliage à l'état de fusion.
Sur les figures 5 et 6 est indiqué un autre type de four consistant en un corps 70 à portion basse cylindrique 72, et partie haute conique ou tronconique 74 qui est fermée par un couvercle 76.
Celui-ci est muni d'une cheminée d'évacuation 78 à travers laquelle les gaz peuvent s'écouler pour aller au séparateur non représenté.
Le corps 'la peut être muni de tuyères de combustible 80 et de tuyères de charge 82 disposées de la même façon que les éléments correspondants des fourneaux décrits d'après les figures I à 4. Le four 70 est également muni de une ou plusieurs portes de nettoyage 84 par lesquelles le métal et les résidus peuvent être retirés.
Dans ce dispositif, les particules de métal réduit sont séparées des gaz et des matériaux ayant une densité plus faible par l'accroissement de cette densité qui surmonte l'effet d'entraînement des gaz turbulents et permet le dépôt sur le fond du four.
Il a été décrit des hauts fourneaux disposés dans le sens vertical. Il est évident que leur disposition peut être horizontale ; il est obtenu la même action réductrice et la même séparation cen- trifuge.
Pour citer un exemple précis, il a été produit de l'acier finement divisé en injectant un minerai magnétique pulvérisé, suffisamment fin pour que 70 à 80 % de ce corps puisse passer à travers un tamis à 200 mailles. Ce minerai est alors mélangé à du charbon en
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poudre de même finesse. Le charbon est utilisé comme combustible.
En utilisant un four de 9 mètres de longueur et un diamètre intérieur d'environ 2,5 mètres, une vitesse de vent entre 20 et 30 mètres par seconde produit une suspension satisfaisante du minerai et permet de déposer les particules métalliques produites.
Naturellement, le volume d'air peut varier, il dépend des dimensions du four. De même il peut changer, si l'on utilise du minerai de dimensions ou de densités différentes. Chacune de ces con- ditions, rapport d'air, densité et dimensions des particules, dia- mètre et dimensions du four, peuvent être déterminées par une simple expérience, afin de produire la suspension et la séparation du métal.
Pour les fours de dimensions moyennes, il n'est pas nécessaire d'uti- liser une vitesse de vent supérieure à 50 mètres seconde.
Les dimensions des particules bien que de l'ordre de grandeur ci-dessus indiquées, peuvent être augmentées ou diminuées
Un suspension du minerai dans l'huile au milieu de la- quelle les dimensions des particules peuvent être aussi petites que des dimensions colloïdales, soit avec, soit sans autres agents ré- ducteurs de dimensions similaires, peut être utilisé avantageusement.
Les dimensions colloïdales permettent une réduction instantanée. De même, l'état liquide de la charge facilite grandement son injection dans le four. En choisissant les proportions d'huile et de minerai, la charge peut également servir de combustible, permettant de suppri- mer les sources supplémentaires de chauffage et de gaz réducteurs.
De ce qui précède, il a été décrit des appareils et procédés qui sont particulièrement bien adaptés pour traiter des minerais finement divisés de tous les types jusqu'à présent intrai- / fourneaux tables dans les hauts ordinaires.
Le terme "minerai" utilisé dans cette description doit comprendre tous les minerais naturels et résidus métalliques, parcel- les, poussières d'acier ou autres qui contiennent des oxydes
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métalliques. n n
Le terme amélioration doit être entendu, comme couvrant le traitement des minerais pauvres, particulièrement les minerais ferreux, pour enrichir leur teneur, soit pour les rendre susceptibles d'une réduction ultérieure dans des appareils ordinaires tels par exemple, que les hauts fourneaux, soit pour réduire le minerai complètement en métal.
Les appareils décrits peuvent varier de dimensions et de proportions, leur forme peut changer si désiré, tant qu'elle s sera de longueur suffisante pour permettre la formation d'une colonne turbulente de flamme et de gaz, de vitesse capable de maintenir en suspens les particules pendant l'action réductrice.
Naturellement, les appareils peuvent changer constructivement, sans sortir du cadre de l'invention.