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BREVET D'INVENTION " FUSION DU ZINC " Société dite: THE NEW JERSEY ZINC COMPANY. convention Internationale :Priorité d'une demande de brevet d'invention n 641,711 déposa aux Etats-Unis d'Amériquue le 17 janvier 1946 par Erwin Casper HANDWERK et George Thomas LAHLER.
La. présente invention est relative à la fusion du zinc et ellevise certains perfectionnements dans la fusion des minerais de zinc et matières analogues, dans des cornues verticales chauffées extérieurement.
Dans la fusion des minerais de zinc dans des cornues verticales modernes, chauffées extérieurement, on a l'habitude fde faire passer la vapeur de zinc dans'une masse ou une colonne de coke ou de briquettes de charge se trouvant dans un prolongement supérieur, non chauffé, de la cornue en vue d'éviter la formation d'une quantité excessive de poudre bleue. Dans ce'prolongement non chauffé, les gaz mon-
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tants contenant de la vapeur de zinc sont nettoyés pqr une certaine quantité de vapeur de zinc qui se condense avec reflux du zinc fondu .résultant. Le zinc fondu qui reflue constitue une charge en circulation dans la cornue et diminue sa capacité d'admission d'une nouvelle quantité de minerais.
Même dans les conditions opératoires les plus favorables, il se forme de 7 à 9 % de poudre bleue (sur la base du zinc fondu obtenu) dans la fusion dans des cornues à zinc verticales modernes et, dans certaines installations, la quantité de poudre bleue formée s'élève jusqu'à 15 ss. En général, cette poudre bleue revient aux cornues pour y être refondue et ceci réduit encore la capacité d'admission dans la cornue d'une nouvelle quantité de minerai.
Les restrictions ci-dessus de la capacité des cornues de fusion du zinc verticales sont imposées par le fait qu'on est obligé de faire fonctionnerles cornues de manière à éviter qu'il se forme des quantités excessives (le poudre bleue dans le condenseur, Les types connus jusqu'ici de condenseur n'ont pas permis de transformer en zinc fondu une quantité appréciable de poudre bleue accompagnant les gaz de fusion ouformée dans le condenseur. En- outre, avec ces condenseurs connus, il est essentiel d'éviter autant que possible la dilution de la vapeur de zinc étant donné que cette dilution augmente la formation de poudre bleue.
On a découvert, selon l'invention, que l'on peut obtenir certains perfectionnements et certaines économies dans le fonctionnement des cornues verticales de fusion du zinc lorsque l'on condense la vapeur de zinc dans un condenseur du type à écla- boussement, susceptible de transformer des quantités sensibles de poudre bleue en zinc fondu. Le condenseur du type à éclaboussement liquéfie la poudre bleue ou poussière de zinc en l'agitant vigoureusement dans un bain de zinc fondu.
En conséquence, on peut traiter des gaz normaux contenant de la vapeur de zinc, plus dilués que cela n'était le cas jusqu'ici (pourvu évidemment qu'il n'y ait pas de grandes quantités d'anhydride carbonique) et on peut ne pas tenir compte d'autres facteurs opératoires donnant lieu à la formation de poudre bleue dans le condenseur étant donné que, quelle que soit la quantité qui se forme, elle se transforme rapidement en zinc fondu.
La présente invention implique donc le fonctionnement des cornues verticales de.fusion du zinc à leur pleine
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capacité pour une nouvelle charge de minerai et sans précautions spéciales pour éviter la formation de poudre bleue et le passage des gaz de fusion. contenant du zinc dans un condenseur du type à éclaboussement dans lequel la vapeur de zinc vient en contact intime avec une averse de particules de zinc fondu projetée dans la chambre de condensation à partir d'un bain de métal fondu se trouvant dans le fond de cette chambre.
Plus particulièrement, l'invention est relative au chauffage de la colonne de la charge agglomérée contenue dans la cornue verticale à une température supérieure à celle pour laquelle une quantité sensible de vapeur de zinc se condense avec reflux du zinc fondu résultant en un point quelconque de la colonne de charge et,en partic u- lier, sensiblement au sommet de la colonne. En outre, l'invention envisage l'introduction d'une quantité supplémentaire d'air de déplacement à la base de la cornue avec augmentation qui en résulte du chauffage interne de la charge et dilution des gaz de fusion contenant la vapeur de zinc.
On comprendra mieux ces caractéristiques et d'autres de l'invention d'après la description ci-dessous faite en se référant au dessin annexé qui représente en coupe verticale une cornue verticale de fusion du zinc ainsi que le condenseur à éclaboussement associé, convenant particulièrement pour la mise en pratique de l'invention.
La cornue verticale de fusion du zinc, faite en une matière réfractaire appropriée, est entourée d'une chambre de chauffage ou de combustion ¯6..Cette chambre s'étend sur toute la hauteur de la cornue verticale et il y arrive un gaz de chauffage par des orifices 2 et 8 munis de robinets et reliés aux tuyaux 9 d'alimentation en gaz de chauf- fage. Les ouvertures à gaz 2 sont disposées au voisinage du haut de la chambre de combustion et le gaz qui sort de ces ouvertures brûle dans une chambre supérieure constituée par une cloison transversale 10 munie (d'ouvertures de sortie appropriées 11 débouchant dans la chambre inférieure. Les orifices à gaz 8 sont placés juste endessous de la cloison 10.
Ia paroi extérieure de la chambre de combustion comporte des ouvertures à ,air 12, verticalement espacées, servant à amener l'air pour la combustion du gaz de chauffage. les produits de la combustion du gaz de chauffage sortent à la base 'dé là chambre de combustion par des sorties 13. le dessus'de la cornue est fermé par un chapeau
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ou couvercle 14 et un dispositif hermétique 15 de chargement est monté sur ce chapeau. Les flèches indiquent le sens de circulation du gaz combustible etdes produits de la combustion.
On charge la cornue, au moyen du dispositif de chargement, avec une charge agglomérée de matière zincifère et d'un agent réducteur approprié, par exemple de matière carbonée. La charge agglomérée circule progressivement dans la cornue et est chauffée à une température suffisamment élevée pour réduire les composés du zinc, par exemple l'oxyde de zinc et volatiliser le zinc métallique réduit ou fondu résultant. Le résidu de la charge passe du fond de la cornue dans un prolongement 16 situé en dessous qui peut être en métal. L'extrémité de sortie du prolongement 16 est située au-dessous du niveau de l'eau a dans un bassin approprié qui constitue un joint effectif empêchant la rentrée non réglée d'air atmosphérique dans le fond de la cornue.
La charge résiduelle est retirée du fond du prolongement 16, en dessous au niveau de l'eau a par un transporteur à vis 17. On introduit de l'air ou un autre gaz aidant la combustion, par exemple de l'air enrichien oxygène, dans le prolongement 16, par le tuyau 18, muni d'un robinet, en quantité réglée, comme on l'expliquera plus en détail ci-dessous. En fonctionne- ment, la cornue est pleine de charge agglomérée. Le résidu de la charge sort de la base de la cornue de manière sensiblement continue et on amène une nouvelle charge de la même façon, en quantité équivalente, en haut de la cornue. La colonne de charge descend donc dans la cornue et perd progressivement le zinc contenu à mesure que la fusion ou l'action deréduction se pro duit.
Le haut de la colonne verticale est relié, par un conduit incliné 19, à un condenseur du -type à éclaboussement, Ce dernier comprend une chambre de condensation 20 de forme générale rectangulaire, comportant une admission de vapeur de zinc 21, sensiblement à une extrémité et communiquant avec le conduit 19, et une sortie de gaz 22 (qui est surtout de l'oxyde de carbone), sensiblement à l'autre extrémité. La chambre de condensation est garnie d'une matière réfractaire appropriée et est équipée extérieurement de chemises de re- froidissement par l'air ou par l'eau 23, munies d'une eutrée 24 et d'une sortie 25 pour le fluide réfrigérant, ainsi que cela est indiqué par les flèches sur le dessin.
L'entrée 21
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de vapeur de zinc et la sortie 22 des gaz d'échappement sont protégées par des chicanes-verticales en matière réfractaire 26 et 27 respectivement, afin d'empêcher le zinc fondu d'éclabousser ou d'être projeté dans l'entrée et la sortie.
La chambre de condensation communique, sous le bord inférieur de sa paroi verticale d'extrémité 28, avec un puisard de décharge 29 comportant une goulotte de trop plein 30 déterminant le niveau b du bain ou de la masse de métal fondu qui se trouve dans la chambre de condensation. Une auge réceptrice 31 reçoit le métal fondu débordant par la goulotte 30 et l'emmène à une installation de coulée ou analogue. La partie inférieure de la paroi d'extrémité 28 plonge dans le métal fondu qui se trouve entre la chambre de condensation et le puisard et ferme la chambre de condensation par rapport à l'atmosphère en ce point. Le volume de zinc fondu qui se trouve dans la chambre de condensation est ainsi maintenu sensiblement constant, en évacuant continuellement du zinc fondu à mesure qu'il se condense dansla chambre.
Un rotor de forme générale cylindrique 32 est monté dans la chambre de condensation 21. Il est entrainé par un arbre 33 refroidi par de l'eau, monté dans des paliers situés à l'extérieur du condenseur. L'arbre 33 est horizontal et traverse les parois latérales de la chambre de c ond ensation , entre l'admission de zinc et la sortie du gaz, en direction générale transversale à la direction de circulation du gaz dans la chambre. Le rotor peut être en graphite, en carbure de silicium ou autre matière réfractaire appropriée.
La périphérie du rotor comporte un certain nombre de poches ou cuvettes 34 espacées circonférentiellement. L'arbre 33 est placé à un niveau qui est sensiblement au-dessus de celui du zinc fondu maintenu dans la chambre 20 et le rotor 32 a un diamètre extérieur tel que sa poche la plus basse se trouve en dessous du niveau b du zinc fondu. On a décrit les caractéristiques détaillées de ce condenseur dans la demande de''brevet .'--Belges déposée par la Demanderesse le/3 juin 1946 .
N 36I338/et intitulée "Condensation de vapeur de zinc", Si on le désire, le condenseur peut être refroidi intérieurement comme cela est décrit dans la demande de brevet déposée par la même demanderesse le'.4 juin 1946 et ayant pour titre Condenseur à zino".
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Dans la mise en pratique de l'invention dans l'appareil représenté sur le dessin, on retire les agglomérés résiduels du bas de la cornue et l'on introduit les agglomérés réchauffés, faits d'un mélange de matic es zincifères et de matières carbonées, par le dispositif de chargement 15, dans le haut.de la cornue, de façon que l'opération de fusion s'effectue dans la cornue de manière sensiblement continue. la partie supérieure de la cornue entourée par la partie supérieure de la chambre de combustion 6 est chauffée extérieu- rement de façon telle que la charge qui se trouve dans cette partie de la cornue soit chauffée à une température suffisamment élevée pour empêcher une condensation sensible de la vapeur de zinc et le reflux de zinc fondu dans le haut de la charge dans la cornue.
Cette température est en général d'environ 850 à 900 et e.lle est supérieure à celle à laquelle une quantité sensible de vapeur de zinc se condense avec reflux du¯métal fondu résultant. A cette température, la charge qui se trouve dans la partie supérieure de la cornue constitue un filtre adéquat pour le courant de gaz de fusion qui montesans qu'il en résulte de condensation appréciable de vapeur de zinc. On chauffe ainsi toute la colonne de la charge contenue dans la cornue de sorte que l'on empôche sensiblement la condensation de la vapeur de zinc dans la partie supérieure de la colonne de charge.
Les agglomérés chargés dans la partie supérieure ue la cornue sont en général cokéifiés de façon à donner des matières ayant une résistance leur permettant de résister sans désintégration sensible à l'opération de fusion ultérieure et, en pratique, ils sont chauffés à une température d'au mois 5000 et de préférence supérieure et, dans ce but, on peut avantageusement les transférer directement du four de cokéification à la cornue avec un minimum de perte de chaleur.
Lorsqu'ils sont préparés dela façon décrite dans le brevet des Etats-Unis n 1.875.249 du 30 Août 1932 et qu'ils sont transférés directement à la cornue, les agglomérés cokéifiés pénètrent dans la cornue à une température d'environ 850 .
Le chauffage de la charge dans la partie supérieure de la cornue (c'est-à-dire au-dessus de la cloison 10) peut être juste suffisante pour empêcher la condensation de la vapeur de zinc avec reflux du zinc fondu dans cette partie de la cornue ou elle peut être suffisamment intense pour amorcer la réduction des composés du zinc dans cette partie de la cornue. En général, une réduction commence avant que la charge
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arrive en dessous du niveau de la cloison 10, mais-le chauf- fage est insuffisant pour amorcer la réduction dans toute la partie supérieure de la cornue.
Le chauffage de la partie supérieure de la colonne de charge dans la cornue contraire- ment à la pratique courante jusqu'ici consistant à maintenir un prolongement supérieur non chauffé pour la cornue, aug- mente sensiblement la capacité de la cornue pour recevoir une nouvelle charge de minerai. En conséquence, la capacité augmente du fait de l'absence d'une charge en circulation telle que constituée par le zinc fondu qui reflue. De même, dans la mesure où cette réduction a lieu dans la partie su-,-. périeure de'la cornue, la longueur de fusion effective dans la cornue se trouve augmentée de façon correspondante, sans accroissement de sa longueur réelle.
Un courant continu de gaz de fusion contenant de la vapeur de zinc passe dans le conduit 19 et pénètre dans la chambre de condensation 20 en dessous de la chicane 26 de l'entrée 21. Les gaz pénètrent dans le condenseur à une température d'environ 850 à 900 et contiennent, en,général, environ 25 à 50 % de vapeur de zinc diluée pour la plus grande partie par du gaz oxyde de carbone. Les gaz d'échappe- ment du condenseur (consistant surtout en oxyde de carbone) peuvent de façon avantageuse passer dans-un laveur 35 et s'y mélanger avec le gaz combustible comme cela est représenté schématiquement sur le dessin.
La dissipation de la chaleur du condenseur est réglée en réglant la circulation de l'agent réfrigérant dans les chemises 23 de manière à maintenir dans le condenseur une température opératoire de 490 à 550 , ou bien, on peut la régler-, comme on l'a dit plus haut, par refroidissement interne du condenseur. La température du condenseur est la température du métal fondu au voisinage de la sortie du condenseur. le rotor 32 tourne à vitesse relativement grande, par exemple environ 100 à 150 tours minutes, en sens contrai- re des aiguilles d'une montre, comme indiqué par la flèche, de sorte que les poches 34 qui se succèdent rapidement pren- nent et projettent des nappes ou des averses de zinc fondu dans le courant de gaz qui entre.
Les poches 34 ont, de façon générale, la forme d'écopes en coupe avec surface plate avançante, relativement longue et une dépression semi-circu- laire peu profonde à l'extrémité intérieure ou dans le fond de la poche. Les poches se terminent à petite distance des extrémités périphériques circonférentielles du rotor de sorte qu'il n'y a pas ou peu.'de métal fondu qui soit projeté laté-
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ralement contre les parois latérales de lu caambre de condensation.
Les nappes ou averses montantes et se succédant rapidement de métal fondu se transforment par éclabousemet en pluie de particules de zinc fondu, qui tombent dans la chambre et éclaboussent dgalement contre la chicane 26 et le plafond de la c@ambre de condensation d'ou il résulte que cette surface de la chambre de condensation est sensiblement remplie d'averses en forme de nappes et de particules mobiles de zinc fondu qui constituent des noyaux idéaux pour la condensation et l'agglomération ultérieure de la vapeur de zinc.
La formation de poudre bleue ou de poussière de zinc dans la chambre de condensation est pratiquement négligeable et les particules qui peuvent se former se dissolvent dans le zinc fondu qui tombe en averses et sont entraînées par lui dans le bain de zinc fondu et s'y fondent. De même, les particules de poudre bleue ou de poussière de zinc contenues dans le courant de gaz qui arrive dans le condenseur sont effectivement transformées en zinc fondu par l'éclaboussement et la pluie de particules de zinc fondu, et par l'agitation du rotor lui-même.
Conformément à l'invention, on effectue une nouvelle augmentation de la capacité de la cornue en augmentant le volume de déplacement d'air ou autre gaz comburant introduit dans le prolongement inférieur 16 par le tuyau 18. L'air ou gaz analogue ainsi introduit dégage de la chaleur à l'extrémité de sortie de la cornue par combustion des matières carbonées non consumées restant dans le résidu de la charge.
L'aptitude qu'a le condenseur du type à éclaboussement à traiter la poucre bleue permet de diluer la vapeur de zinc dans les gaz de fusion et permet par suite d'introduire de plus grandes quantités d'air de combustion ou gaz analogue par le tuyau 18. On produit ainsi plus de chaleur à l'intérieur de la cornue de sorte que le zinc est éliminé plus rapidement de la charge.
En outre, le plus grand courant de gaz qui en résulte dans la charge agglomérée transfert plus de chaleur des parois de la cornue à l'intérieur de celleci par courants de convexion ce qui facilite le chauffage externe de la cornue, En outre, l'augmentation et la dilution des Gaz contenant la vapeur de zinc réduit la tendance au reflux dans la colonne de charge par abaissement du point de rosée du zinc de sorte que plus l'introduction d'air de combustion est grande, moins il est nécessaire de chauffer la partie supérieure de la cornue pour supprimer le reflux.
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La quantité d'air de combustion qui peut être introduite est limitée par le fait qu'une ,trop- grande combustion du carbone à la base de la cornue a tendance à former des scories et à abîmer les parois réfractaires de la cornue. En général, il n'y a pas de difficultés à cela si l'on augmente l'air de combustion de deux à trois fois la quantité qui peut être utilisée dans la pratique appliquée jusqu'ici de fusion en cornue verticale.
En pratique réelle de l'invention,, on a condensé 1500 Kgs de zinc par jour sur une période continue de 9 jours.
La quantité d'écume, de poudre bleue, de charbon et de poussière de minerai recueillie dans le condenseur a été d'environ 10 Kgs,7 pour la période de 9 jours ou moins de 0,1% du poids du zinc métallique condensé. La poudre bleue du laveur recueillie dans les gaz d'échappement a étéenviron 2%, en opérant à une température du bain de métal dans la chambre de condensation d'environ 550 . En opérant à une température du condenseur de 490 à 500 , ce qui est possible dans la pratique de l'invention, le gaz d'échappement contient environ 1 % de zinc condensé que l'on recueille comme poussière bleue dans le laveur. Ceci représente une production totale de poudre bleue, etc de 2,1 % ou- moins, au lieu de 7 à 15 % avec la façon de procéder industrielle courante jusqu'ici.
On peut résumer brièvement comme suit les avantages de l'invention :
1. Une réduction de la quantité de poudre bleue formée de 7 à 15 % suivant la pratique courante jusqu'ici, à 1,5 à 2,5 % suivant l'invention. Une réduction de la quantiré de la poudre' bleue remise en circulation dans les cornues de fusion d'environ 8 % et plus à environ 2 %, ce qui permet d'augmenter de 3 à 6% la nouvelle charge de minerai et donne une augmentation de 130 à 260 Kgs du rendement en zinc métallique par cornue et par jour.
2. Une réduction de la quantité de poudre bleue humide et froide remise en circulation tend à réduire la formation d'oxyde dure et augmente la durée de la cornue.
3. Etant donné que le condenseur du type à éclaboussement convertit efficacement la poudre bleue en métal liquide, il est possible de réduire le reflux dans la charge de la colonne en' la chauffant à 850-900 . On ne peut pas faire cela dans la pratique courante jusqu'ici de fusion du zinc en cornue verticale parsuite de l'augmentation de la
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poudre bleue dans le condenseur et le laveur. Etant donné la suppression du reflux: du. zinc fondu., il est possible d'avoir une augmentation de 215 à 430 Kgs dans le débit du. zinc par cornue et par jour. En outre, il y a réduction de la formation d'oxyde dure.
4 - Etant donné que le condenseur du type à éclaboussement peut efficacement condenser une vapeur de zinc diluée à faible teneur en anhydride carbonique, il est possi- ble d'augmenter la quantité d'air de déplacement introduite à la @buse de la cornue. Il en résulte la production de chaleur dans la charge.
Une augmentation d'air de déplacement ce la pratique courante de 225 à 340 dm3/min. à 570-850 dm3/ min, (ce qui est possible conformément à l'invention) augmente le rendement de la cornue de 5 à 10 % ou. de 260 à 520 kgs par cornue et par jour avec une cornue d'environ 9 mètres de long et de section transversale rectangulaire ayant 1m.80 de long et 30 cm de large. En outre, l'augmentation de la dilution réduit le reflux dans la colonne de charge.
5. Les cornues verticales de fusion du zinc chauf fées extérieurement, comme on les s faisait fonctionner jusqu'i- ci, doivent être relativement étroites, avoir en général environ 30 cns de largeur interne par suite de la difficulté que l'on a à faire passer la chaleur à l'intérieur de la char- 3e. Conformément à l'invention, on peut produire suffisamment de chaleur interne par introduction d'air de déplacement à la base de la cornue pour¯ augmenter de 25 % la lar- ;;eur de la cornue d'où résulte une augmentation dans la capacité de celle-ci.
6. Une réduction dans la main d'oeuvre nécessaire, en outre d'une amélioration dans les conditions de travail.
7. Le zinc fondu sort continuellement du condenseur à raesure qu'il se condense dans celui-ci en supprimant ainsi la coulée périodique du condenseur qui était de pra- ique courante dans la fusion en cornue verticale.
8. L'élimination sensible de condensation de vapeur de zinc avec reflux du zinc fondu dans la partie supérieure de la colonne supprime le contact du zinc fondu avec les parois de la cornue et l'effet nuisible quien résulte sur ces parois.
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