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Perfectionnements aux fours et procédés pour la vaporisation du zinc et d'autres métaux.
L'invention a pour but de procurer des perfectionne- ments aux fours et procédés pour la vaporisation du zinc et d'autres métaux,qui permettent de vaporiser une quantité de métal extraordinairement importante rapidement et efficace- ment et avec d'autres avantages spécifiés en détail dans la description ci-après.
Dans les dessins annexés:
Fig. 1 est une coupe verticale longitudinale d'un four, faite à peu près suivant la ligne 1-1 de la Fig. 2,
Fig. 2 est une coupe transversale du four, faite à peu près suivant la ligne 2-2 de la Fig.l,
Figs. 3, 4 et 5 sont respectivement une coupe verti-- cale, longitudinale, une vue en plan et une vue en bout d'un
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Figs. 6 et 7 sont respectivement des coupes trans- versales suivant les lignes 6-6 et 7-7 de la Fig. 1.
Le four est constitué par un fond 1, des parois latérales 2, des parois d'extrémité 3 et une paroi supérieure 4, faits en toute maçonnerie réfractaire appropriée. Une chambre de vaporisation 5 traverse le four de manière continue d'une paroi d'extrémité à l'autre. Elle comporte un ciel ou voûte 6 constitué par des blocs de carbure de silicium ou autre matière réfractaire à haute conductibilité thermique.
Le fond de la chambre de vaporisation est constitué par une série de plateaux successifs 7 qui peuvent être faits de la même matière que le ciel. Au dessus du ciel de la chambre de vaporisation sont situées des chambres de chauffe 8 sépa- rées par une cloison 9. Chacune comporte d'un côté une ou plusieurs ouvertures à brûleurs 10. Les gaz de combustion ou de chauffe parcourent les chambres 8, puis se rendent par des conduits descendants 11, situés à l'extrémité opposée de la chambre de vaporisation, à des conduits 12 traversant le four en-dessous de la chambre de vaporisation, et s'en vont par une lumière 13 vers une cheminée.
Des pyromètres 14 situés aux extrémités opposées de chacune des chambres de chauffe supérieures traversent les parois de manière à indiquer à des observateursse trouvant à l'extérieur les températures régnant dans les chambres de chauffe en ces points; de préfé- rence, ils sont aussi agencés pour enregistrer ces tempéra- tures. Chacun des plateaux 12 fait corps avec des parois de faible hauteur destinées à retenir des bains de métal fondu peu profonds. Les plateaux sont disposés en cascade, successi- vement à des niveaux de plus en plus bas, de façon que le métal déborde de chaque plateau dans le plateau suivant situé en- dessous de lui.
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Les Figs 3, 4 et 5 montrent un plateau comportant des parois latérales basses 15, une paroi avant 16 et une paroi arrière 17; dans celle-ci est creusée une encoche 18 qui la traverse suivant sa largeur et par laquelle le métal fondu déborde dans le plateau suivant. Ou bien les plateaux peuvent être disposés tous au même niveau et le métal fondu circule de l'un à l'autre.
Chaque plateau est supporté individuellement par exemple par des parois 19 et 20 entre lesquelles sont situés . les conduits 12. Chaque plateau ne porte qu'une faible char- ge et il est possible de retirer des éléments brisés et de les remplacer par de nouveaux éléments sans être obligé ni de fermer le four, ni d'interrompre le fonctionnement dans le restant de la construction.
La Fig. 2 montre que les éléments sont divises en- core davantage en disposant deux plateaux 7 suivant la lar- geur du four. Les dimensions des plateaux étant déterminées, on peut choisir la largeur et la longueur du four de manière à y loger un plus grarid on un plus petit nombre de plateaux, comme on le désire.
La voùte 6 de la chambre de vaporisation est cons- i tituée de .blocs distincts à joints étanches, s'élevant entre des parois latérales 21 à joints de ciment (Fig. 2.). Comme le montre la Fig. 1, les extrémités de la voûtée sont rendues étanches du fait qu'elles sont engagées dans des rainures des parois latérales du four, ces rainures étant remplies d'un ciment réfractaire analogue 22 pour constituer un joint é- tanche. Les gaz de combustion sont empêchés d'entrer dans la chambre de vaporisation et les vapeurs de zinc sont empêchées de s'échapper dans la chambre de combustion ou de chauffe située au-dessus de la chambre de vaporisation.
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Deux ouvertures 23 percées dans une des parois latérales du four débouchent dans le conduit 12 en-dessous des plateaux et permettent d'introduire des gaz chauds ou froids au cas où on désirerait régler la température en-des- sous des plateaux. En employant des gaz chauds, ou des brû- leurs, on peut élever la température en-dessous des plateaux.
Ou bien, par une admission d'air atmosphérique ou d'autres gaz de refroidissement, on peut abaisser la température en- dessous des plateaux. Aux extrémités opposées des conduits 12 sont situées des ouvertures de décrassage 24 (Fig.2) permettant de retirer toute obstruction qui pourrait se dé- poser dans les conduits. La Fig. 1 montre que les deux ouvertures 23 sont situées dans les mêmes plans verticaux que les ouvertures à brûleurs 10 des chambres de chauffe supérieures.
Par ce moyen on peut varier le rapport des quantités de cha- leur appliquées aux extrémités respectives de la chambre de vaporisation, ainsi que les quantités de chaleur et le rap- port entre les quantités de chaleur appliquées au-dessus et en-dessous à chaque extrémité de la chambre de vaporisation.
Aux deux extrémités du four il est prévu des car- neaux de sortie 25 et 26 communiquant respectivement par des conduits 27 et 28 avec la chambre de vaporisation; celle-ci est en ligne avec des ouvertures 29 et 30-traversant les pa- rois extérieures de carneaux pour donner accès directement à la chambre de vaporisation. Les carneaux sont reliés à tout appareil habituel ou approprié pour l'utilisation et le traitement des vapeurs de zinc.
On peut aussi employer les sorties 27, 29 et 28, 30 pour débarrasser les plateaux des produits résiduels. Dans le cas où. l'un ou; l'autre des plateaux se dégrade, ces ouvertures constituent une voie par laquelle on peut facilement retirer les fragments brisés et les remplacer par de nouveaux éléments, sans interrompre les opérations exécutées dans le four.
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En tête de la chambre de vaporisation est disposée une auge de chargement 31 (Figs.l et 6) servant à débiter aux plateaux du métal fondu. A l'aide de cette auge il est possi- ble de faire circuler le métal de manière continue dans la chambre de volatilisation sur les plateaux successifs à toute allure voulue ou de charger les plateaux périodique- ment, par un procédé discontinu.
Les ouvertures 27, 28, 29 et 30 peuvent aussi être employées pour introduire la charge, les ouvertures 29 et 30 étant fermées durant les opérations de vaporisation.
Comme le montre la Fig. 6, l'auge 31 comporte de larges encoches 32 par dessus lesquelles le métal fondu se rend dans le premier plateau. On introduit le métal fondu dans l'auge à une extrémité par une goulotte 33 et il coule au- delà d'un barrage 34 dressé de haut en bas qui fait office de coupe-air empêchant l'air de s'échapper entre l'auge 31 et la goulotte 33.
A l'autre extrémité, habituellement à l'extrémité de sortie du four, est située une auge de trop-plein 35 dispo- sée transversalement au four et comportant des sorties 36 inclinées de haut en bas (voir Fig. 7). L'auge de trop-plein sert à retirer l'excédent de métal durant le chargement (opéré par un procédé discontinu ou par un procédé continu) et à retirer un métal qui peut être enrichi d'impuretés à température d'ébullition plus élevée qui ne se sont pas va- porisées et dont la présence dans la vapeur de zinc évacuée de la chambre est indésirable.
Les trous de coulée 36 sont complètement bouchés ou ne sont que partiellement bouchés, ce qui permet d'exécuter soit une opération discontinue, soit une opération continue.
Lorsqu'ils sont complètement bouchés, il faut procéder à une coulée périodique chaque fois qu'on charge plus de métal qu'on
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n'en a vaporisé. Lorsqu'ils sont partiellement bouchés, une opération continue est possible quand bien même il y aurait une fraction de charge qu'on ne veut pas vaporiser. Le pro- cédé de vaporisation peut être exécuté sélectivement, comme c'est décrit ci-après plus en détail, pour incorporer à la vapeur des métaux à températures d'ébullition plus élevées ou moins élevées que celle du zinc ou d'un autre métal qui constitue la charge principale.
Le four décrit présente de nombreux avantages de détails en dehors de l'avantage principal d'agir immédiate- ment, dans une seule chambre de vaporisation, sur une plus grande surface et une plus grande quantité de métal fondu que ce n'est faisable en général par les anciens procédés. Les plateaux supportés individuellement peuvent être facilement remplacés quand ils sont brisés ou endommagés, sans qu'il soit nécessaire de fermer le four entier, alors que cette fermeture du four aurait provoqué une défaillance prématurée des autres éléments et aurait ralenti la production.
La disposition des plateaux, conforme à l'invention, assure aussi qu'on puisse y accéder facilement pour les nettoy- er. Ceci est important, étant donné que durant la distilla- tion du zinc certains résidus s'accumulent dans les plateaux et il faut les enlever à des intervalles périodiques; grâce à la présente invention on peut y procéder sans fermer le four et sans affecter sensiblement la production.
Les plateaux sont très peu profonds, de sorte que la charge est portée sous forme d'une série de bains peu profonds ayant une grande surface exposée à l'action de la chaleur, d'où il résulte que l'allure d'évaporation est plu- sieurs fois plus rapide que dans les fours à cornues habituels.
On produit cette allure d'évaporation accélérée en appliquant de la chaleur au dessus des charges à travers la voûte, en
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dessous des plateaux et d'un côté de la chambre de vapori- sation (ou dans une légère variante, des deux côtés de la chambre). Ceci assure un haut degré d'exposition et un bon rendement au point de vue de l'utilisation de la chaleur disponible.
La nouvelle construction convient particulièrement bien pour être établie avec des j'oints étanches aux vapeurs.
En outre, les différents plateaux ne comportent pas de joints soumis à la pression hydrostatique du métal fondu. On a trouvé en pratique que le zinc fondu fuit à travers des joints céramiques, éventualité qui est éliminée par la présente construction. On a constaté en pratique que la disposition du ciel et des côtés de la chambre est de nature à retenir la vapeur de zinc à des pressions suffisamment élevées pour tou- tés les opérations ordinaires. Ceci est important, vu qu'on - empêche ainsi des gaz oxydants d'entrer dans la chambre de vaporisation et de former une croûte sur le bain métallique.
Il est aussi nécessaire d'exclure les gaz de combustion. Non seulement ceux-ci tendent à oxyder la vapeur de zinc; mais encore ils exercent un effet néfaste sur les oxydes produits au moyen de vapeur de zinc dans les procédés de fabrication d'oxyde de zinc.
Le four convient aussi pour exécuter un nouveau procédé sélectif. A cet effet on règle la composition de la vapeur de manière à permettre l'évacuation de vapeurs ayant des degrés de pureté différents et contenant des pourcentages d'impuretés différents, et le procédé peut même être exécuté de manière à extraire au même moment des vapeurs de composi- tions différentes, respectivement aux deux extrémités du four.
Le zinc industriel pour la vaporisation contient sou- vent des impuretés sous forme d'autres métaux, par exemple d'étain et cadmium, plus légers que le zinc, et de plomb et @
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cuivre, plus lourds que le zinc. En bornant l'apport de chaleur au dessus de la charge fondue on produit moins de turbulence que si la chaleur était appliquée au-dessous ou à tout le pourtour de la cornue. Par suite, moins d'impu- retés lourdes, comme le plomb et le cuivre, sont amenées à la surface, et moins de ces éléments sont emportés par la vapeur, tandis que la quantité d'impuretés légères, comme l'étain et le cadmium, emportées par la vapeur, est plus gran- de.
Inversement, si la quantité de chaleur appliquée au- dessous de la charge est plus grande, le bain est turbulent, et les métaux plus lourds, comme le plomb et le cuivre, sont amenés à la surface et emportés dans une plus la.rge mesure par la vapeur.
La disposition représentée permet de régler le fonctionnement pour produire sélectivement une vapeur ayant différentes compositions. Si l'on introduit par les lumières 23 de l'air de refroidissement dans les conduits inférieurs 12, le dessous de la charge est le plus froid. Il y a alors peu de turbulence et l'évaporation se limite surtout à la surface et aux métaux se trouvant à la surface, qui com- prennent les impuretés plus légères. Tcutefois, si l'on introduit dans les conduits 12 des gaz chauds, la température du dessous de la charge peut être élevée de manière à ac- croître la turbulence dans la charge, ce qui a pour effet de porter à la surface les impuretés plus lourdes et de les vaporiser dans le zinc.
D'autre part, on peut varier les conditions exis- tant aux différentes extrémités du four (Fig.l). A l'extrémi- té droite on peut introduire dans le conduit 12 des gaz chauds en quantité suffisante pour provoquer une agitation de la charge et une vaporisation des éléments plus lourds, et les évacuer par l'ouverture droite de la cheminée 26.
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A l'extrémité gauche, on peut introduire-en même temps par l'ouverture 26 des gaz de refroidissement dans les conduits inférieurs 12, ce qui a pour résultat une vaporisation calme n'émanant que de la surface de la charge, et cette vapeur contenant un plus grand pourcentage d'impuretés légères est évacuée par le carneau de gauche 25. L'adoption de l'un ou l'autre de ces procédés dépend de la composition du zinc et de l'usage à faire des vapeurs résultantes.
REVENDICATIONS.
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1) Four pour la vaporisation du zinc ou d'autres métaux, comportant une chambre de vaporisation et une sole pour supporter le métal dans le four, constituée par une série de plateaux dont chacun est supporté indépendamment dans la chambre de vaporisation de manière à ne porter que sa propre charge de zinc fondu.
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Improvements to furnaces and processes for vaporizing zinc and other metals.
The object of the invention is to provide improvements to furnaces and methods for vaporizing zinc and other metals which allow an extraordinarily large quantity of metal to be vaporized quickly and efficiently and with other advantages specified in. detail in the description below.
In the accompanying drawings:
Fig. 1 is a longitudinal vertical section of a furnace, taken approximately along line 1-1 of FIG. 2,
Fig. 2 is a cross section of the oven, taken approximately along the line 2-2 of Fig.l,
Figs. 3, 4 and 5 are respectively a vertical, longitudinal section, a plan view and an end view of a
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Figs. 6 and 7 are cross-sections, respectively, taken along lines 6-6 and 7-7 of FIG. 1.
The furnace consists of a bottom 1, side walls 2, end walls 3 and an upper wall 4, made of any suitable refractory masonry. A vaporization chamber 5 passes through the oven continuously from one end wall to the other. It comprises a sky or vault 6 formed by blocks of silicon carbide or other refractory material with high thermal conductivity.
The bottom of the vaporization chamber is formed by a series of successive trays 7 which can be made of the same material as the sky. Above the sky of the vaporization chamber are located heating chambers 8 separated by a partition 9. Each has on one side one or more burner openings 10. The combustion or heating gases pass through the chambers 8, then go through descending ducts 11, located at the opposite end of the vaporization chamber, to ducts 12 passing through the oven below the vaporization chamber, and go through a light 13 towards a chimney.
Pyrometers 14 located at opposite ends of each of the upper heating chambers pass through the walls so as to indicate to observers located outside the temperatures prevailing in the heating chambers at these points; preferably, they are also arranged to record these temperatures. Each of the trays 12 is integral with walls of low height intended to retain shallow baths of molten metal. The trays are arranged in cascade, successively at lower and lower levels, so that the metal overflows from each tray into the next tray located below it.
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Figs 3, 4 and 5 show a tray comprising low side walls 15, a front wall 16 and a rear wall 17; in this is hollowed out a notch 18 which crosses it along its width and through which the molten metal overflows into the next plate. Or the trays can all be arranged at the same level and the molten metal flows from one to the other.
Each plate is supported individually, for example by walls 19 and 20 between which are located. ducts 12. Each tray carries only a light load and it is possible to remove broken elements and replace them with new ones without having to close the oven or interrupt operation in the rest. construction.
Fig. 2 shows that the elements are further divided by arranging two trays 7 depending on the width of the oven. The dimensions of the trays being determined, the width and length of the oven can be chosen so as to accommodate a larger size or a smaller number of trays, as desired.
The vault 6 of the vaporization chamber is made up of separate blocks with sealed joints, rising between side walls 21 with cement joints (Fig. 2.). As shown in Fig. 1, the ends of the vault are sealed by being engaged in grooves in the side walls of the furnace, these grooves being filled with a similar refractory cement 22 to form a tight seal. Combustion gases are prevented from entering the vaporization chamber and zinc vapors are prevented from escaping into the combustion or heating chamber located above the vaporization chamber.
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Two openings 23 pierced in one of the side walls of the oven open into the duct 12 below the trays and allow the introduction of hot or cold gases in the event that it is desired to adjust the temperature below the trays. By using hot gases, or burners, the temperature below the trays can be raised.
Or, by admitting atmospheric air or other cooling gases, the temperature below the trays can be lowered. At the opposite ends of the conduits 12 are located scouring openings 24 (Fig. 2) allowing the removal of any obstruction which may settle in the conduits. Fig. 1 shows that the two openings 23 are located in the same vertical planes as the burner openings 10 of the upper heating chambers.
By this means it is possible to vary the ratio of the quantities of heat applied to the respective ends of the vaporization chamber, as well as the quantities of heat and the ratio between the quantities of heat applied above and below at each. end of the vaporization chamber.
At both ends of the furnace, outlet flues 25 and 26 are provided communicating respectively by conduits 27 and 28 with the vaporization chamber; this is in line with openings 29 and 30 passing through the outer walls of the flues to give direct access to the vaporization chamber. The flues are connected to any usual or appropriate device for the use and treatment of zinc vapors.
The outlets 27, 29 and 28, 30 can also be used to rid the trays of residual products. In the case where. one or; the other of the plates deteriorates, these openings constitute a way by which one can easily remove the broken fragments and replace them with new elements, without interrupting the operations carried out in the furnace.
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At the head of the vaporization chamber is arranged a loading trough 31 (Figs.l and 6) serving to deliver molten metal to the trays. Using this trough it is possible to circulate the metal continuously in the volatilization chamber on the successive trays at any desired rate or to load the trays periodically, by a discontinuous process.
The openings 27, 28, 29 and 30 can also be used to introduce the charge, the openings 29 and 30 being closed during the vaporization operations.
As shown in Fig. 6, the trough 31 has large notches 32 over which the molten metal goes into the first tray. The molten metal is introduced into the trough at one end through a chute 33 and it flows past a dam 34 erected from top to bottom which acts as an air barrier preventing air from escaping between it. trough 31 and chute 33.
At the other end, usually at the outlet end of the furnace, is an overflow trough 35 arranged transversely to the furnace and having outlets 36 inclined up and down (see Fig. 7). The overflow trough is used to remove excess metal during charging (operated by a batch process or by a continuous process) and to remove metal which may be enriched with higher boiling impurities which did not vaporize and whose presence in the zinc vapor discharged from the chamber is undesirable.
The tap holes 36 are completely plugged or are only partially plugged, allowing either a batch operation or a continuous operation to be performed.
When they are completely plugged, it is necessary to proceed to a periodic pouring each time you load more metal than
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did not spray any. When they are partially blocked, a continuous operation is possible even if there is a fraction of the charge which one does not want to vaporize. The vaporization process can be carried out selectively, as will be described below in more detail, to incorporate in the vapor metals at boiling temperatures higher or lower than that of zinc or another metal. which constitutes the main load.
The furnace described has many advantages of details apart from the main advantage of acting immediately, in a single vaporization chamber, over a larger surface area and a greater quantity of molten metal than is practicable in general by the old methods. Individually supported trays can be easily replaced when broken or damaged, without the need to close the entire oven, as such closure of the oven would have caused premature failure of other components and slowed production.
The arrangement of the trays, according to the invention, also ensures that they can be easily accessed for cleaning. This is important, since during the distillation of zinc certain residues accumulate in the trays and must be removed at periodic intervals; thanks to the present invention, this can be done without closing the oven and without significantly affecting production.
The trays are very shallow, so that the load is carried in the form of a series of shallow baths having a large surface exposed to the action of heat, hence the rate of evaporation is several times faster than in conventional retort furnaces.
This rate of accelerated evaporation is produced by applying heat on top of the loads through the vault, in
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below the trays and on one side of the vaporization chamber (or in a slight variation, on both sides of the chamber). This ensures a high degree of exposure and a good efficiency from the point of view of the use of the available heat.
The new construction is particularly suitable for being established with vapor-tight seals.
In addition, the various plates do not include joints subjected to the hydrostatic pressure of the molten metal. It has been found in practice that molten zinc leaks through ceramic gaskets, a possibility which is eliminated by the present construction. It has been found in practice that the arrangement of the head and sides of the chamber is such as to retain the zinc vapor at pressures high enough for all ordinary operations. This is important since this will prevent oxidizing gases from entering the vaporization chamber and forming a crust on the metal bath.
It is also necessary to exclude combustion gases. Not only do these tend to oxidize the zinc vapor; but still they exert a detrimental effect on the oxides produced by means of zinc vapor in the zinc oxide manufacturing processes.
The furnace is also suitable for performing a novel selective process. To this end, the composition of the steam is adjusted so as to allow the evacuation of vapors having different degrees of purity and containing different percentages of impurities, and the process can even be carried out so as to extract vapors at the same time. of different compositions, respectively at the two ends of the oven.
Industrial zinc for vaporization often contains impurities in the form of other metals, eg tin and cadmium, which are lighter than zinc, and lead and @
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copper, heavier than zinc. By limiting the heat input above the molten charge, less turbulence is produced than if the heat were applied below or all around the retort. As a result, less heavy impurities, like lead and copper, are brought to the surface, and less of these elements are carried away by the vapor, while the amount of light impurities, like tin and cadmium, carried by the vapor, is greater.
Conversely, if the amount of heat applied below the load is greater, the bath is turbulent, and the heavier metals, such as lead and copper, are brought to the surface and carried away to a greater extent. by steam.
The arrangement shown allows operation to be adjusted to selectively produce vapor having different compositions. If cooling air is introduced through the ports 23 into the lower ducts 12, the underside of the load is the coldest. There is then little turbulence and evaporation is mostly limited to the surface and to the metals on the surface, which include the lighter impurities. However, if hot gases are introduced into the conduits 12, the temperature of the underside of the charge can be raised so as to increase the turbulence in the charge, which has the effect of bringing more impurities to the surface. heavy and spray them in the zinc.
On the other hand, the conditions existing at the different ends of the furnace can be varied (Fig.l). At the right end, hot gases can be introduced into duct 12 in sufficient quantity to stir up the load and vaporize the heavier elements, and they can be discharged through the right opening of the chimney 26.
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At the left end, cooling gases can be introduced simultaneously through the opening 26 into the lower ducts 12, which results in a calm vaporization emanating only from the surface of the load, and this vapor containing a greater percentage of light impurities is discharged through the left flue 25. The adoption of either of these methods depends on the composition of the zinc and the use to be made of the resulting vapors.
CLAIMS.
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1) Furnace for the vaporization of zinc or other metals, comprising a vaporization chamber and a hearth to support the metal in the furnace, constituted by a series of trays, each of which is independently supported in the vaporization chamber so as not to carry only its own charge of molten zinc.