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Procédé et appareil pour extraire le zinc des alliages à base de cuivre.
La présente invention se rapporte à des procédés et appareils pour extraire le zinc d'alliages à base de cuivre, de manière à pouvoir récupérer le contenu non zincifère de l'alliage, ainsi que le zinc si on le désire.
Pour bien faire comprendre l'invention, différents modes d'exécution pratique du procédé et de l'appareil utilisés aux fins de l'invention seront décrits ci-après avec référence aux dessins annexés dans lesquels:
Fig. 1 est une vue plus ou moins schématique d'un appareil qui peut être utilisé pour mettre l'invention en pratique;
Fig. 2 est une coupe longitudinale d'une variante de l'appareil ;
Fig. 3 et 4 sont des coupes suivant les lignes 3-3 et 4-4 respectivement de la Fig. 2;
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Fig.5 représente une autre forme du récipient métallique de l'appareil suivant les figs.2, 3 et 4;
Fig.6 est une coupe suivant la ligne 6-6 de la fig.5;
Fig.7 est une coupe correspondant à la fig. 6, montrant une autre variante du récipient métallique;
Fig.8 est une vue fragmentaire, correspondant à la fig.7, montrant encore une autre variante du récipient métallique ;
Fig. 9 est une COUDE suivant la ligne 9-9 de la fig.8;
Fig.lO représente une autre variante encore du récipient métallique de l'appareil suivant les figs.2, 3 et 4;
Figs.ll et 12 sont des coupes suivant les lignes 11-11 et 12-12 respectivement, de la fig.10;
Fig.13 est une coupe verticale longitudinale d'une variante du four servant à traiter le métal pour en éliminer le zinc;
Fig.14 est une coupe verticale longitudinale d'une variante de l'appareil suivant la fig.2;
Fig.15 est une coupe suivant la ligne 15-15 de la fig.14;
Fig.16 est une coupe verticale longitudinale d'un fragment d'une variante du four pour le traitement du métal en vue de l'é- limination du zinc, correspondant à l'extrémité de droite du four de droite de la fig.14.
Fig.l7 est une vue' en vlan d'un condenseur pour les vapeurs de zinc, avec arrachement partiel, la vue représentant une partie du four dont les vapeurs sont recueillies par le condenseur, et
Fig.18 est une coupe suivant la ligne 18-18 de la fig.17.
Jusqu'à présent, pour récupérer le cuivre du laiton ou le constituant non zincifère d'autres alliages à base de cuivre, on soumettait habituellement le métal à des procédés de raffinage coûteux et entraînant des pertes, consistant, par exemple, à in- suffler le métal en fusion conjointement avec de l'air dans un four à réverbère pour oxyder et élimine* le zinc, en consentant à la perte de ce dernier.
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Toute tentative de réduire le teneur en zinc de ce métal à un point considérablement inférieur à 10%, en l'éliminant de ce dernier par ébullition ou évaDoration était jusqu'ici irréa- lisable sur une échelle industrielle, sinon scientifiquement.
Si l'on essayait de réduire la teneur en zinc de cette manière, l'élimination des dernières fractions de zinc expulsées exigeait des températures tellement élevées et tant de temps que le pro- cédé devenait irréalisable en raison de la consommation considé- rable d'énergie thermique, de l'insuffisance de la durabilité du four, et de la perte de temps.
Il est clair qu'avec une tension de vapeur constante, la température minimum à laquelle le zinc sera expulsé du métal augmentera progressivement à mesure que le zinc est progressi- vement éliminé. Dans les conditions qui ont présidé jusqu'ici aux essais effectués antérieurement en vue d'extraire le zinc en chauffant le métal qui le renferme, la température devenait né- cessairement très élevée lorsque la teneur en zinc devenait fai- ble, et lorsque cette teneur était réduite à environ 3 ou 4%, l'extraction du zinc se faisait si lentement que la réduction de la teneur en zinc cessait pratiquement.
Suivant la présente invention, le laiton et d'autres allia- ges à base de cuivre contenant du zinc peuvent être traités indus- triellement pour réduire leut teneur en zinc facilement jusqu'à des proportions de l'ordre de 3 à 6%. En outre, en tirant profit de la découverte faite précédemment de l'action catalytique du carbone élémentaire incandescent exposée ci-après, on peut ré- duire la teneur en zinc à des proportions encore moindres, même jusqu'à des fractions bien inférieures à 1%, c'est-à-dire qu'on peut éliminer pratiquement la totalité du zinc sans perte de temps nuisant à l'exécution du procédé, et à des températures notablement inférieures à celles qu'on croyait oossibles jusqu'à présent,
soit à des températures de l'ordre de 1000 F en dessous
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des températures d'ébullition déterminées par les lois de Henry et de Raoult pour les métaux ayant les compositions des métaux finals. En outre, dans le procédé perfectionné, le zinc peut être récupéré à l'état métallique, au lieu d'oxyde de zinc ou de poudre bleue ou au lieu d'être entièrement perdu comme dans les procédés antérieurs.
L'effet catalytique du carbone élémentaire incandescent ci-dessus mentionné peut 'Se démontrer en plaçant le métal en fusion dans un creuset en graohite 1 (fig.l) de manière à remplir celui-ci partiellement, le creuset étant disposé dans une cham- bre à moufle 3 d'un four à moufle 5 chauffé à l'huile, auquel le mélange combustible est amené par une tuyère à combustion d'hui- le 7.
Pour assurer l'existence de conditions non oxydantes au- dessus du métal dans le creuset, on peut placer sur celui-ci un couvercle 9 en graphite ou autre matière réfractaire, cette der- nière ne devant pas nécessairement être du carbone élémentaire, tandis qu'on peut fermer la chambre à moufle par un couvercle réfractaire 11, chaque couvercle étant pourvu d'une petite per- foration 13 pour permettre le libre échappement des vapeurs de zinc à l'extérieur du four et étant luté à l'argile réfractaire comme c'est indiqué en 15. On a trouvé qu'au moyen de cet appa- reil le métal en fusion peut être chauffé dans le creuset incan- descent au point d'éliminer, en quelques heures, pratiquement la totalité du zinc à des températures notablement inférieures aux températures d'ébullition indiquées pour la composition du métal original ou du métal résiduel.
Par exemple, lorsqu'un alliage en fusion composé de 16% de zinc, 10% de nickel et le restant de cuivre, était placé dans un creuset en graphite, d'environ 4 pouces de haut, 3,5 pouces de diamètre intérieur au sommet et 3,25 pouces de diamètre interne à la base, de manière à le rem- plir à peu près jusqu'à 1,8 pouces de son sommet, et que la chambre à moufle était maintenue à environ 2850 F, tandis que
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l'intérieur du creuset était maintenu approximativement à la température atmosphérique, l'alliage contenait au bout de trois heures environ 0,12% de zinc.
Toutefois, on a trouvé que si le creuset au lieu d'être en graphite ou autre carbone élémentaire était en une autre matière, ce même alliage dans des conditions de fonctionnement identiques aurait eu une teneur en zinc rési- duel d'environ 2,1%, c'est-à-dire approximativement dix-huit fois autant de zinc que l'alliage résiduel en aurait contenu s'il avait été traité dans le creuset en graphite.
Des creusets ou d'autres récipients en carbone non graphiti- que comme par exemple du carbone non graphitique dérivé du coke, de la houille, du pétrole, du charbon, de la suie, etc. donnent les mêmes résultats qu'un creuset ou un récipient en graphite, et il est possible, lorsque la quantité de métal traitée dans un pareil récipient est suffisamment grande pour réaliser la présen- te invention sur une échelle industrielle, de réduire la quanti- té de zinc dans le métal résiduel jusqu'à 0,5% et moins.
Des procédés pour exécuter des récipients, des blocs, des conduits et diverses autres formes de pièces en carbone et en graphite sont bien connus. Habituellement, suivant ces procédés, la matière carbonée, par exemple la houille, est mélangée à du gou- dron de charbon ou autre agglomérant approprié pour former une masse plastique qu'on moule sous pression à la forme désirée et qu'on soumet alors au feu pour la fissurer et en chasser les sub- stances volatiles et Dour réduire la matière à un état plus ou moins pur de carbone non-graphitique appelé "carbone" dans le commerce. En continuant à chauffer et en augmentant la tempéra- ture du traitement de la pièce moulée, on peut transformer ce "carbone" en graphite.
Le "carbone" produit est résistant, dur et compact, tandis que le graphite, bien que résistant et compact, est plus tendre ce qui le rend apte à être usiné plus facilement.
Le "carbone" ainsi dénommé et le graphite constituent, aussi
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bien que le diamant, les trois formes allotropiques connues du carbone élémentaire. Dans les revendications ci-annexées on a employé pour la commodité de la terminologie l'expression "carbone-' élémentaire'' pour indiquer une matière du groupe renfermant le graphite et la substance appelée commercialement "carbone". Evidem- ment les diamants bien qu'il n'y ait aucune raison de supposer qu'ils sont impropres aux fins poursuivies, sont des produits trop coûteux pour entrer en ligne de compte dans la pratique.
Des creusets ou d'autres récipients exécutés en des maté- riaux tels que la magnésite, l'argile réfractaire, le silicate de zirconium, le carbure de silicium et divers autres produits ré- fractaires connus de carbone non-élémentaire chimiquement ne donnent pas les résultats obtenus au moyen d'un creuset en car- bone ou en graphite, mais lorsqu'on les emploie, il reste dans l'alliage en cours de traitement une quantité notablement plus grande de zinc pour des conditions de température et pression données et une durée déterminée du traitement, attendu que si la quantité de zinc résiduelle à obtenir à l'aide de ces creusets doit être la même que celle obtenue au moyen des creusets en carbone ou en graphite pour la même durée de traitement,
il est nécessaire d'emoloyer des températures indésirables supérieures de 1000 F approximativement, et habituellement une teneur de 3 à 4% environ de zinc est le minimum auquel la teneur en zinc peut être réduite si la quantité de métal qui est traitée est suffi- samment grande pour constituer une réalisation de la présente invention sur une échelle industrielle.
On peut expliquer les effets ci-dessus mentionnés par le fait qu'un alliage en fusion contenant une quantité donnée de zinc présente, pour une pression de vapeur totale donnée, un point d'ébullition déterminé lorsqu'il est placé dans un récipient non carboné, c'est-à-dire que si l'alliage est porté à l'ébullition dans un pareil récipient à une température et une pression fixées,
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son ébullition se prolongera jusqu'à ce que la teneur en zinc soit réduite à un certain pourcentage, et cessera ensuite à moins qu'on élève la température ou réduise la pression, de ma- nière à assurer l'ébullition de l'alliage à teneur réduite en zinc, l'action étant analogue à celle qui se produit lorsqu'on chauffe un mélange d'eau et d'alcool jusqu'à provoquer l'ébulli- tion de l'alcool.
Toutefois, lorsqu'on le remplace par un réci- pient en carbone élémentaire, il est possible que cette matière en devenant incandescente agisse comme un catalyseur cour réduire la tension de vapeur à la surface du métal en fusion de manière à lui permettre de bouillir à une température inférieure, la même que celle qui se produirait si la pression de vapeur totale au- dessus du liquide était réduite par L'emploi d'une pompe à vide en supposant qu'il soit possible de le faire.
On peut aussi admettre que lorsque la température de l'alliage en fusion est inférieure à son point d'ébullition pour une pression de vapeur totale donnée quelconque, le zinc dans ces conditions étant ex- pulsé de l'alliage par évaporation, si la température de ce dernier est supérieure au point d'ébullition correspondant à la pression de vapeur partielle existante du zinc, la même action catalyti- que se produise, le carbone élémentaire incandescent agissant alors pour augmenter le degré d'évaporation du zinc au même point que si la pression de vapeur partielle du zinc était fort infé- rieure à la valeur qu'elle possède actuellement.
Quelle que soit l'explication exacte, ce qui est certain c'est qu'on a constaté que le récipient en carbone ou graphite agit, lorsqu'il est incandescent, comme un catalyseur pour réduire la teneur en zinc d'un alliage à base de cuivre en fusion par ébullition ou évapora- tion à une température et à une pression de vapeur données jus- qu'à une teneur considérablement inférieure à celle qui serait obtenue si le creuset n'avait pas été en carbone ou graphite, pour la même durée du traitement du métal qui y est contenu, et en
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outre,
que dans un récipient en carbone ou graphite la tempéra- ture nécessaire pour réduire la teneur en zinc à un pourcentage donné est sensiblement plus faible que dans un récipient qui n'est pas en carbone ou graphite et inférieure à celle qu'on croyait possible jusqu'à présent ou qui était indiquée par les lois de Henry et Raoult, et que dans un récipient en carbone ou graphite il est possible de réduire la teneur en zinc à un pour- centage plus faible que si le creuset n'était pas en carbone ou graphite.
Aucun effet catalytique ne peut être observé en cas d'ébul- lition ou d'évaporation de zinc commercialement pur ou d'alliages à base de cuivre contenant de grandes quantités de zinc. Dans ces conditions le zinc est évacué si facilement du métal en fu- sion par ébullition ou évaporation et à des températures si rapprochées de son point de fusion que s'il se produit une action catalytique quelconque elle ne peut pas être observée et n'a aucune influence sur les résultats acquis dans ces conditions.
L'action catalytique ne peut être observée et ne présente d'im- portance que pour un pourcentage de zinc de 10% ou moins.
L'effet catalytique et ses avantages sont plus prononcés et acquièrent une importance progressivement croissante lorsque la teneur en zinc diminue progressivement au-dessous de 10%. Lorsque la teneur en zinc du laiton ou autre alliage à base de cuivre descend progressivement en dessous de 10%, la température et la durée du traitement nécessaires pour évaporer ou assurer l'ébul- lition d'une quantité donnée de zinc à une pression de vapeur donnée augmentent progressivement, et, comme l'action catalyti- que réduit cette température et cette durée nécessaires, on tire profit de cette action en réalisant à la fois une économie im- portante de consommation d'énergie et une augmentation de la du- rabilité du four, tandis que d'autre part la quantité de métal qui peut être traitée dans un temps déterminé est plus grande.
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Les essais ont montré qu'il est nécessaire pour assurer l'action catalytique ci-dessus décrite que la surface de la masse de métal en fusion traitée soit dégagée, aussi bien lorsque cette masse se trouve à l'état de courant que lorsqu'elle est fixe, de manière à permettre aux vapeurs de zinc de s'en échapper, et que le carbone élémentaire intersecte cette surface dans le sens général où les surfaces internes des parois latérales d'un récipient ou creuset du métal intersectent cette surface. En outre,il est nécessaire pour obtenir cette action de chauffer le métal en fusion dans des conditions pratiquement non-oxydantes vis-à-vis de ce métal.
D'autre part, on a constaté que l'action catalytique est beaucoup plus prononcée lorsque la température de l'alliage en fusion en cours de traitement est égale au moins à celle du point de fusion de son constituant non zincifère, qui, comme on le comprendra, est supérieur à celle du point de fusion de l'alliage. Toute température supérieure au point de fusion du constituant non zincifère, jusqu'à celle qui provoque l'ébul- lition de l'alliage,peut être adoptée. En pratique, pour obtenir les meilleurs résultats on adoptera de préférence des températu- res dépassant de 900 à 1400 F le point de fusion du constituant non zincifère, particulièrement lorsqu'on élimine les fractions finales du zinc si la réduction de la teneur en zinc est poussée aussi loin que 3% environ.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, on a trouvé que l'action catalytique ne se produit pas si le carbone élémentaire ne se trouve en contact avec le métal fondu qu'en dessous de sa surface.
Par exemple, si le creuset ou autre récipient n'est pas en carbo- ne ou en graphite et si le carbone élémentaire est sous forme d'un bloc de graohite ou de carbone placé dans le creuset et fixé au fond de ce dernier de manière à être entièrement immergé dans le métal en fusion, aucune action catalytiqueneseproduit et les résultats obtenus sont identiques à ceux obtenus lorsque le bloc
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est en carbure de silicium ou autre matière non constituée de carbone élémentaire, tandis que quand le bloc est en carbone élémentaire et est fixé dans le creuset en matière autre: que le carbone élémentaire de manière à s'étendre d'un point situé au-dessous de la surface libre du métal à un point situé au-dessus de cette surface en intersectant cette dernière, l'action cataly- tique se produit.
Dans une forme d'exécution appropriée d'un appareil propre à réaliser l'invention sur une échelle industrielle, décrite ci- après à titre d'exemple, le métal en fusion peut être chauffé dans le récipient en graphite ou en carbone dur 17 constituant le creuset ou la sole d'un four électrique dans lequel la surface supérieure libre 19 du métal en fusion est intersectée par les faces internes des parois latérales 21 et 23 du récipient. Comme c'est représenté, le récipient 17 est supporté par des blocs ré- fractaires 25 reposant sur la Daroi de fond 27, garnie de réfrac- taire, d'une chambre de four 29, les parois de côté et d'extrémi- té 31 du four étant également garnies de matière réfractaire.
Comme c'est représenté, de part et d'autre du récioient ouvais- seau 17 le four présente intérieurement une banquette sur la- quelle repose une couche de matière isolante réfractaire 33 qui supporte les éléments de chauffage électrique par résistance 55 s'étendant transversalement en travers et au-dessus du récipient.
Ces résistances de chauffage qui peuvent être faites en graphite sont représentées comme étant couplées en série par des plaques de graphite conductrices électriquement 37 qui reposent sur les couches isolantes 33, les résistances situées aux extrémités étant pourvues de rallonges 39 en matière conductrice réfractaire, s'étendant à travers des perforations 41, ménagées dans la paroi du four, jusqu'à l'extérieur du four, où elles portent des bor- nes 43 pour le raccordement à la source de courant.
Au-dessus des résistances de chauffage on a représenté une paroi 45 formée de
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plaques de matière réfractaire qui, en service, sont chauffées par les résistances jusqu'à l'incandescence et réfléchissent la chaleur vers le bas de manière à augmenter l'effet calorifique sur le métal contenu dans le récipient ou vaisseau 17. Une cou- che de morceaux de charbon 47 peut reposer sur cette paroi de manière à agir comme isolement pour maintenir la paroi 45 à une température maximum.
Les garnitures réfractaires 25 et 31 et la paroi 45 peuvent être en graphite ou en carbone dur pour contribuer à obtenir les conditions non oxydantes dans le four et dans ce même but le couvercle amovible 49 du four est représenté comme étant pourvu d'une enveloppe métallique 51 qui coopère avec une enveloppe mé- tallique 53 dont la partie inférieure du four est munie pour for- mer un joint hydraulique 55 s'étendant sur tout le pourtour du four.
Le métal en fusion introduit dans le récipient 17 peut être amené d'un four de fusion séparé 57 par l'intermédiaire d'un tuyau ou autre conduit 59 en matière réfractaire, telle que le carbone ou le carbure de silicium, l'extrémité interne de ce tuyau se terminant au-dessus d'une extrémité du récipient, de manière à y décharger le métal en fusion. Celui-ci peut s'écou- ler de l'autre extrémité du récipient ou vaisseau par un tuyau 61 dont l'ouverture interne est située suffisamment au-dessus du fond du récipient pour maintenir un bain de métal de la profon- deur voulue dans ce dernier.
Du tuyau 61 le métal se décharge dans un pot 63 en matière réfractaire appropriée d'où il peut être prélevé de temps en temps par le tuyau 65 en matière réfrac- taire fermé normalement par un tampon d'argile réfractaire amo- vible 67. Les valeurs de zinc peuvent être déchargées de la chambre 29 du four par un tuyau d'évacuation 69 menant à tout endroit convenable d'utilisation ou de distribution des vapeurs de zinc, comme, par exemple, un condenseur de zinc.
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On peut toutefois opérer la fusion de l'alliage dans le même four que celui qui renferme le récipient ou la sole 17,
Comme c'est représenté, le récipient ou sole 17 est établi de telle manière que la masse de métal en fusion qui y est con- tenue présente par rapport à son volume une profondeur réellement faible et une grande surface libre, de façon à faciliter le chauffage du métal et l'échappement du zinc de ce dernier pendant son écoulement à travers le récipient.
Ainsi que c'est représenté, le récipient est allongé dans la direction du courant du métal qui y circule, ce qui est avantageux parce qu'on assure ainsi une élévation progressive de la température du métal lorsque le zinc est expulsé, de façon à favoriser la réduction à un minimum de la teneur en zinc dans les fractions finales du métal à pro- ximité de l'extrémité de décharge du récipient. Toutefois pour des récipients ou soles de capacité relativement grande, ce mode de construction entraîne des complications dans l'exécution du four, ce qu'on peut éviter en donnant an récipient une largeur beaucoup plus grande par rapport à sa longueur que ne le montrent les dessins,sans inconvénient sensible.
Le four de fusion, qui doit être conduit de manière à ne fonctionner qu'à une température suffisante pour fondre le métal, c'est-à-dire à une température très inférieure à celle à laquelle il est nécessaire de chauffer le métal en fusion dans le réci- pient 17, peut être de n'immporte quel genre approprié, celui représenté étant un four électrique comportant un pot de fusion 71 en matière réfractaire appropriée, au-dessus duquel est pla- cée une paire d'éléments de chauffage par résistance 73.
La construction du four de fusion sous le rapport des résistances de chauffage et de leurs supports peut être identique à celle décrite pour l'autre four, les résistances 73, semblables aux résistances 35, étant raccordées entre elles à une extrémité par une plaque conductrice 75, semblable aux plaques 37 mentionnées
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précédemment, qui repose sur une banquette isolante 33 sur le côté de la chambre du foyer, comme c'est exposé ci-dessus, tandis que chaque résistance 73 peut être pourvue d'une rallonge menant à l'extérieur du four et semblable aux rallonges 39 des résistan- ces 35.
De même, la chambre du four de fusion, comme la chambre destinée à recevoir le récipient ou vaisseau 17, peut être pour- vue d'une garniture réfractaire 27, 31, tandis que le couvercle amovible 77 du four de fusion comporte un bloc de graphite 79 qui, comme la paroi 45 de l'autre four, est chauffé Dar les ré- sistances et agit de manière à réfléchir la chaleur de haut en bas vers le métal en cours de traitement.
Ainsi que c'est représenté, une paroi latérale du pot de fusion présente un passage 81 qui y est ménagé verticalement et communique avec la partie intérieure inférieure du pot par une lumière 83, le tuyau 59 communiquant avec le passage 81 à proximité du niveau normal 85 du métal en fusion dans le Dot. Au moyen de cette construction on peut avoir l'assurance que les scories ou l'écume seront effectivement enlevées du métal en fusion et ne pénétreront pas dans le tuyau 59. Les scories et l'écume accu- mulées peuvent être enlevées du pot de temps à. autre par le tuyau 87, normalement fermé par un tampon d'argile réfractaire amovible 89.
Le métal dont on doit produire la fusion peut être introduit dans le pot à travers le conduit de chargement 91, qui, comme c'est représenté, communique avec un transporteur hélicoïdal ou vis 93 pour recevoir la mitraille de la trémie 95. On peut faire tourner la vis au moyen d'une roue à chaîne 97 commandée par une force extérieure, d'une façon continue ou par intermittence.
Comme c'est représenté, le conduit 91 est pourvu d'un registre ou vanne à tiroir 99 qui empêche, lorsqu'il est fermé, de laisser entrer l'air dans la chambre de fusion, comme le fait à peu près de la même façon la masse de mitraille ou de rognures 101, qui remplit normalement le conduit, même lorsque la vanne est ouverte.
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La masse de métal chargée dans le pot déplace le métal fondu qui y est contenu et l'en fait sortir par le tuyau 59 pour l'amener dans le récipient ou vaisseau 17. En réglant le chargement du métal, on peut régler le débit du métal en fusion dans le réci- pient 17 dans les limites de la capacité de fusion du four de fusion.
Dans l'appareil décrit l'alliage en fusion est de préférence chauffé dans le four de fusion à une température qui n'est que légèrement supérieure à son point de fusion, de façon à empêcher un échappement notable de zinc dans le four de fusion, toute légère quantité de zinc qui s'échappe étant évacuée par un évent (non représenté) semblable à l'évent 69 des figs.2 et 3.
A cette température il a pénétré dans le récipient 17 chauffé préalablement et est rapidement chauffé à la température désirée pour extraire le zinc. Lorsqu'il passe à travers le récipient sa température s'élève graduellement et sa teneur en zinc dimi- nue progressivement, jusqu'à ce qu'à la lumière de décharge du récipient sa température ait atteint un maximum et sa teneur en zinc un minimum. Lorsque le zinc s'échappe de la surface du bain la densité du métal dont il est extrait augmente, ce qui fait descendre le métal, de telle sorte que la surface du bain en un point donné quelconque est constamment garnie du métal le plus riche en zinc en ce point, ce qui facilite l'extraction rapide du zinc.
En dehors de la matière carbonée du récipient ou de la sole 17 constituée par la paroi de ses bords, une autre matière car- bonée intersectant la surface libre du métal fondu dans le réci- pient peut être constituée par les nervures verticales 103 venues d'une pièce avec le fond du récipient, comme c'est représenté sur les figs. 5 et 6. Si on le désire, les nervures 103 seulement peuvent être formées de matière carbonée, par exemple de graphite ou de carbone dur, et le restant du récipient être constitué de matière réfractaire non carbonée, telle que la magnésite, le
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silicate de zirconium, le carbure de silicium ou autre matière analogue, et dans ce cas les parties inférieures des nervures 103 peuvent être moulées dans la paroi du fond du récipient 17 pendant la fabrication de ce dernier.
Les nervures peuvent dans ce cas effectuer la forme de celles représentées en 105 (fig. 5) qui peu- vent être semblables aux'nervures 103 sous tous les rapports, sauf que leurs bords inférieurs longitudinaux 107 présentent en coupe transversale une forme de queue d'aronde de manière à pouvoir être bloqués fermement dans la matière de la paroi du fond du récipient.
De même, lorsque le récipient 17 est en matière non carbonée, les parois latérales et les parois d'extrémité peuvent être pourvues de fourrures 109 en matière carbonée, telle que le graphite, comme c'est représenté sur les figs. 8 et 9, de telle sorte que les surfaces découvertes de ces fourrures intersectent la surface libre du métal en fanion dans le récipient. Les fourrures 103 peuvent être en forme de queue d'aronde en coupe transversale horizontale de manière à être bloquées dans la matière des parois latérales et des parois d'extrémité du récipient lorsque cette matière est moulée autour d'elles pendant la fabrication du récipient.
Une autre forme de récipient ou de sole est représentée sur les figs.10., 11 et 12. Comme c'est représenté sur ces figures,des cloisons transversales 111 convenablement espacées sont formées d'une seule pièce avec les parois latérales 21 et le fond du ré- cipient, les extrémités opposées des cloisons adjacentes étant respectivement découpées sur toute leur hauteur pour former des ouvertures 113. Cette disposition établit un passage sinueux pour le métal en fusion, le passage consistant en des parcours paral- lèles 115 s'étendant transversalement par rapport au récipient ou vaisseau et reliés entre eux en série à leurs extrémités opposées par les ouvertures 113.
Comme c'est représenté, une cloison ou un barrage 117 établi dans chaque parcours 115 s'étend d'une paroi
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latérale 21 du récipient à l'autre et est venu d'une pièce avec ces parois et le fond du récipient, les sommets de ces barrages étant disposés de manière à se trouver légèrement au-dessous de la surface libre supérieure 19 (fig.2) du métal en fusion à l'in- térieur du récipient.
Dans cette forme de construction le métal en fusion circulant à travers le récipient circule en un courant sinueux dans le sens arrière et dans le sens avant transversalement par rapport au récipient ou sole à travers les parours 115 entre les cloisons plus hautes 111 et celui qui pénètre dans un parcours donné 115 par l'ouverture adjacente 113 doit passer au-dessus de la cloison plus basse ou barrage 117 pour se décharger à travers l'ouverture 113 à l'extrémité opposée du parcours. Ceci a pour effet de faire parcourir au métal en fusion un trajet relative- ment long à travers le récipient, ainsi que de provoquer un tour- billonnement dans le courant en circulation et de faciliter ainsi l'évaporation du zinc en amenant constamment à la surface du bain du métal plus riche en zinc à mesure que le zinc s'évapore de ces parties superficielles du bain.
D'autres formes de construction du récipient ou de la sole peuvent remplacer celles décrites ci-dessus comme, par exemple, une disposition où es parois plus élevées 111 des figs.10, 11 et 12 sont omises tandis que les cloisons plus basses ou barra- ges 17 sont conservés, ce qui donne au récipient la forme d'un râtelier à fusils.
Comme c'est représenté, le four dans lequel le métal en fusion est chauffé pour extraire le zinc, est pourvu de tuyaux 119 en matière réfractaire qui peuvent recevoir un gaz inerte, tel que l'azote ou l'hydrogène, venant d'un tuyau de communica- tion 121 venant d'une source d'alimentation de ce gaz, ce der- nier étant de préférence chauffé préalablement. Des quantités voulues de gaz, réglées par les vannes 123,peuvent être intro- duites dans la chambre du four par les tuyaux 119 de manière à raser la surface du métal en fusion contenu dans le récipient 17
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e t. se mélanger aux vapeurs de zinc pour les diluer avant leur départ par le conduit de décharge des vapeurs 69.
Un pareil gaz non seulement contribue à assurer des conditions non oxydantes dans la chambre du four, qui si elles existent agiront, comme on l'a constaté, pour diminuer l'effet catalytique de la matière carbonée du récipient 17, mais réduit aussi la pression de vapeur partielle du zinc et favorise ainsi l'élimination par ébullition ou évaporation de ce dernier de l'alliage, que le récipient ou vaisseau soit ou non en matière carbonée.
De préférence la-chambre est maintenue à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour assurer davantage l'existence de conditions non oxydantes, mais la diminution de la vitesse à laquelle le zinc est dégagé.qui tend à se produire par suite de cette augmentation de la pression, est dus que comoensée par la réduction de la pression de vapeur partielle du zinc provoquée par le gaz admis à la chambre par les tuyaux 119.
Dans l'appareil représenté le gaz ainsi admis est particu- lièrement efficace à proximité de la partie du récipient 17 si- tuée à son extrémité de décharge, où le métal contient la quanti- té minimum de zinc. En cet endroit, la vitesse d'enlèvement du zinc du métal est plus faible qu'aux points situés à l'extrémité opposée du récipient . Pour cette raison, et du fait que la dé- charge des vapeurs de zinc de la chambre du four est située à de cette extrémité proximité/opposée, les vapeurs de zinc sont ulus diluées et la pression partielle des vapeurs de zinc est oar conséquent moindre à proximité de l'extrémité de décharge du récipient.
Comme c'est représenté, d'autres tuyaux 125 contrôlés par des vannes 127 et de préférence exécutés en graphite communiquent avec le tuyau 121. Les tuyaux s'étendent à travers la paroi du four et se déchargent dans le pot 63 situé près de son fond.Des quantités réglées de gaz non-oxydant préalablement chauffé, comme mentionné ci-dessus, peuvent être introduites dans le métal à
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l'intérieur du pot 63, de manière à barboter à travers ce métal et en retirer le zinc résiduel en y formant des bulles. On com- prendra qu'une bulle de gaz introduite dans le métal de cette ma- nière se dilate en s'élevant et forme un espace dans lequel le zinc peut s'évaporer. La bulle de gaz qui se dégage de la surface du métal a été mélangée aux vapeurs de zinc qui se sont évaporées.
Elle se mélange alors au gaz déchargé par les tuyaux 119 de façon à raser la surface du métal situé dans le récipient 17.
On comprendra qu'à l'endroit où le métal en fusion introduit dans le récipient 17 contient de grandes quantités de zinc, le pourcentage de zinc dans le métal descendra rapidement jusqu'à une teneur permettant à l'action catalytique ci-dessus mentionnée de se produire.
Fn réalité, les alliages à base de zinc contenant des quantités suffisamment grandes de cuivre pour assurer la récupération de ce dernier seront rapidement ramenés, par l'en- lèvement du zinc, à des alliages à base de cuivre, que le réci- pient 17 soit exécuté ou non en carbone élémentaire, et par con- séquent le terme "alliages à base de cuivre" comprend un métal dont on a retiré assez de zinc au cours du traitement pour que le métal devienne un alliage à prédominance de cuivre, de telle sorte que lorsque ceci se produit le traitement enlève alors le zinc d'un alliage à base de cuivre.
On a trouvé que les quantités initiales de zinc dégagées du métal en cours de traitement sont expulsées très rapidement et que la majeure partie du traitement consiste à retirer les frac- tions finales de zinc, et que indépendamment de la teneur en zinc du laiton ou autre alliage à base de zinc introduit dans le récipient 17, le même traitement réduit la teneur en quantité de zinc rudimentairement à la même teneur aussi longtemps que ce traitement est poursuivi pendant plusieurs heures.
On comprendra que la sole sur laquelle le métal en fusion est traité pour l'enlèvement du zine ne doit pas nécessairement
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affecter la forme d'un récipient séparé des parois du four. Par exemple, le four peut être construit comme c'est représenté sur la fig.13, où le conduit 59 décharge le métal en fusion, prove- nant du four de fusion, directement sur le fond du foyer de telle sorte que celui-ci constitue avec les parties adjacentes des pa- rois latérales de la chambre du four une sole et que la chambre du four constitue un récipient pour le métal.
Dans ce cas les quatre parois latérales 31 de la chambre du four, et de préférence aussi la paroi de son fond 27 sont pourvues d'une garniture en graphite ou en carbone pour produire l'effet catalytique ci-dessus mentionné, tandis qu'un barrage 129 s'étendant entièrement en travers de la chambre du four est établi à proximité du pot 63, pour maintenir un bain de métal sur le sol du fournie tuyau 61 agissant pour décharger le métal du bain dans le pot 63.
Pour assurer un meilleur réglage de l'allure du traitement du métal lorsque les fours sont de capacité relativement grande, l'installation employée de préférence dans ce cas est celle re- présentée sur les figs.14 et 15, ou la même modifiée comme c'est indiqué sur la fig.16.
Comme le montre la fig.16, le four de fusion 131 et le four 133 dans lequel le métal est traité pour en extraire le zinc sont de construction similaire de manière à maintenir dans chacun d'eux un bain relativement peu profond de métal présentant une surface supérieure libre au niveau 135. Chaque four, semblable à ceux décrits précédemment, est pourvu d'un couvercle amovible 49 et de résistances de chauffage 35, ces derniers étant disposés et supportés de la manière décrite précédemment, tandis que le fond et les quatre parois latérales de chaque four sont garnis de matière réfractaire appropriée, cette matière pour le four 133 étant de préférence du graphite ou du carbone pour les raisons exposées ci-dessus.
Pour charger les mitrailles ou rognures dans le four de fusion 131, on munit ce dernier, comme c'est représent,
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d'une rallonge 137 pourvue d'un passage à bout ouvert 139 menant de l'extérieur du four à la chambre du four. Ce passage est re- muni orésenté comme étant/d'une Daire de valves ou registres en matière réfractaire 141, convenablement espacés et mobiles verticalement, des cylindres oneumatiques 143 de construction connue étant amé- nagés pour soulever et abaisser indépendamment les portes à la volonté de l'ouvrier. A proximité de l'extrémité extérieure du passage 139 on a représenté une table ou un autre support 145 sur lequel on peut placer des paquets de rognures ou tournures B qu'on doit faire glisser de la table dans le passage.
Lorsqu'on soulève le registre extérieur on peut repousser un paquet de la table pour l'amener dans le passage 139 en un endroit situé entre les deux registres, après quoi on peut fermer le registre exté- rieur et soulever le registre intérieur, puis, a l'aide d'une barre introduite dans une encoche 147 à la partie inférieure du registre extérieur, on peut repousser le paquet d'un bout à l'autre du passage dans la chambre du four. Comme c'est représen- té, un tuyau 149, commandé par une soupape, permet d'amener un gaz inerte, tel que l'azote, dans l'espace ménagé par le passage 139 entre les deux registres 141. Ce gaz est admis dans le passa- ge en quantité suffisante, et de préférence d'une manière con- tinue, pour empêcher l'entrée de l'air par le passage dans la chambre du four.
La chambre de fusion du four 131, à son extré- mité opposée au passage de chargement 139, est représentée comme étant pourvue d'un bloc 151 en matière réfractaire, pourvue d'un passage vertical 153 qui communique à son extrémité inférieure avec la chambre du four par une lumière 155. Un tube incliné de haut en bas, en matière réfractaire, 157 communique avec le passage vertical 153, pour décharger le métal en fusion du four 131 dans la chambre de foyer du four 133.
L'extrémité du tube 157 qui pénètre dans la chambre de foyer du four 133 est représentée comme étant pourvue d'un prolongement
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descendant 159 qui pénètre dans la chambre ou cavité d'un bloc en forme de cuvette 161, de telle sorte que l'extrémité ouverte du tube est immergé dans cette chambre ou cavité, d'où le métal s'écoule par dessus le bord de la cuvette dans le corps de la chambre du four.
Par suite de cette construction le métal en fusion de la cuvette scelle l'extrémité adjacente du tube de ma- nière à empêcher l'échappement en ce point des vapeurs de zinc du four 133 dans le four 131, en permettant ainsi au four 133 d'opérer à une pression légèrement supérieure à la pression at- mosphérique, ce qui empêche toute introduction d'air dans sa chambre de four et provoque le refoulement des vapeurs de zinc à travers le tuyau 69 dans le condenseur de zinc ou autre poste d'utilisation ou d'emmagasinage des vapeurs de zinc.
Dans la forme d'exécution suivant la fig.14, le métal peut être prélevé de temos à autre du four 133 par un tuyau 163, en matière réfractaire,normalement fermé par un tampon d'argile ré- fractaire amovible 165.
Dans la variante représentée sur la fig.16, le four 133 est aménagé pour décharger automatiquement le métal en fusion à la même allure que le chargement des rognures ou mitrailles dans le four 131. Comme c'est représenté sur cette fi-gure, un tuyau ou- vert de décharge du métal 163. s'étend à travers la paroi du four, de l'extérieur du four dans un bloc 167 en matière réfractaire placé à l'extrémité de la chambre du four ooposée au tube d'ad- mission du métal 157. Ce bloc est pourvu, comme c'est représenté, d'un passage en forme de U renversé 169, le tuyau 163 communi- quant avec l'une des branches de ce passage, tandis que l'autre branche communique à son extrémité inférieure avec la chambre de foyer près du fond de cette dernière par une lumière 170 ménagée dans le bloc.
De cette manière la matière du bloc située entre les deux branches du passage en forme de U renversé forme un barrage qui détermine le niveau normal de la surface supérieure du métal dans la chambre du four, tandis que le métal en fusion dans
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la branche de l'U avec laquelle la lumière 170 communique agit de manière à sceller cette chambre et empêcher que les vapeurs de zinc ne s'en échappent par le tuyau 163, en évitant en même temps toute introduction d'air extérieur dans la chambre par le tuyau.
Lorsqu'on traite un métal qui s'écoule lentement, comme par exemple les alliages contenant des quantités pondérables de ni- ckel, il peut être désirable dans beaucoup de cas de chauffer le tube qui décharge le métal en fusion du four de fusion dans celui où le métal est traité en vue de l'élimination du zinc, et parti- culièrement lorsque ce tube a une longueur considérable. Par exemple, le tube 157 de la fig.14 peut passer à travers une cham- bre de chauffe 171 pourvue d'un brûleur à huile 177 destiné à y projeter une flamme pour chauffer fortement le tube, les produits de la combustion s'échappant de la chambre dans une cheminée 173.
De cette manière on évite tout refroidissement préjudiciable du métal dans le tube, qui pourrait, s'il se produisait, provoquer l'écoulement du métal à travers le tube avec une liberté insuffi- sante.
Au lieu de provoquer un écoulement lent et continu du métal en fusion du four de fusion dans le four d'élimination du zinc, on peut opérer un déversement rapide du métal en fusion du four mentionné en dernier lieu de manière à le charger à pleine capa- cité, et traiter le métal ainsi chargé en vue d'en expulser le zinc, après quoi on peut retirer le métal traité résiduel et re- commencer l'opération de chargement pour traiter une nouvelle charge de métal en fusion. Cette variante du procédé, bien que conduisant à une capacité totale réduite de l'installation, peut néanmoins être désirable dans certains cas, particulièrement lorsque le métal traité est de nature à donner lieu à un écoule- ment lent.
En exécutant le procédé de cette manière, on peut retirer le métal en fusion du four de fusion dans une lingotière appropriée, de préférence une lingotière pourvue d'un tube de coulée en bec de théière, de telle sorte qu'en inclinant la lin-
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gotière on peut déverser le métal par le tube de coulée d'un point situé au-dessous de la surface supérieure du métal dans la lin- gotière, une couche de charbon pulvérisé ou autre matière conve- nable pouvant être maintenue sur cette surface pour empêcher l'oxydation du métal.
Dans ce cas, le four destiné à traiter le métal en fusion peut être pourvu d'une ouverture de chargement dans laquelle le métal en fusion peut être déversé d'une lin- gotière, le tube 157 de la fig.14, au lieu d'être relié au four de fusion 131 pouvant, par exemple, se terminer à l'extérieur du four 133 et être pourvu d'un entonnoir approprié pour recevoir le métal versé de la lingotière.
Dans les exemples précédents, les vapeurs de zinc dégagées peuvent être conduites dans un condenseur de zinc, où, par re- froidissement des vapeurs juste au-dessous du point de rosée par rapport au zinc, on peut les condenser à l'état de zinc liquide.
Toutefois, on a constaté que lorsqu'un gaz inerte est introduit dans le four où les vapeurs de zinc sont dégagées, la quantité de gaz introduite doit être réglée de telle façon que la dilu- tion du mélange gazeux entrant dans le condenseur n'est pas su- périeure à celle qui correspond à une dilution d'environ 50% en volume à 2000 F, car sinon le zinc ne se condense pas en se sé- parant des vapeurs diluées, d'une manière prédominante à l'état de zinc liquide. En refroidissant ce mélange dans le condenseur à une température juste au-dessous du point de rosée du zinc, le zinc se sépare par condensation, ce joint de rosée dépendant du degré de dilution des vapeurs de zinc, tandis que la dilution augmente à mesure que le zinc se condense progressivement.
Lorsqu'il n'y a pas dilution ou lorsque les dilutions atteignent 5% environ, le zinc commence à se condenser à environ 1700 F et pour des dilutions plus élevées à des températures plus faibles.
Lorsque le condenseur est aménagé et opère de manière à refroidir les vapeurs de zinc progressivement jusqu'à environ 900 F au moment où les vapeurs y circulent, la totalité pratiquement des
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vapeurs de zinc se condenseront indépendamment du degré de dilu- tion ou de la température des vapeurs entrant dans le condenseur.
Toutefois pour un degré de dilution des vapeurs entrantes supé- rieur à environ 50% on a trouvé que le zinc se condense entière- ment ou en grande partie sous la forme de ce qu'on appelle la "poudre bleue", qui n'entre pas en fusion lorsqu'elle tombe dans du zinc liquide qui peut se recueillir dans le condenseur, et pour cette raison sa présence est préjudiciable.
Les vapeurs de zinc, ou le mélange de vapeurs de zinc et de gaz déchargés à travers le conduit 69 peuvent être conduits dans le condenseur de zinc représenté plus ou moins schématiquement sur les figs.17 et 18. Ce condenseur comprend les collecteurs su- périeurs et inférieurs 174 et 175 garnis de matière réfractaire et reliés par des tubes verticaux 177 en matière réfractaire de bonne conductibilité thermique telle que l'argile réfractaire graphitique. Comme c'est représenté, le conduit 69 communique avec le collecteur inférieur, d'où les vapeurs s'élèvent à tra- vers les tubes 177 pour se rendre dans le collecteur supérieur, qui est pourvu d'un tuyau d'évacuation 179 commandé par une vanne 181.
Autour de chaque tube sont disposés des tuyaux verticaux
183, pourvus chacun d'une tuyère à jet 185 pour projetér une flamme de gaz contre les tubes. Comme c'est représenté, ces tuyaux reçoivent du gaz combustible d'un collecteur 187, chacun par l'intermédiaire d'un carburateur 189 de construction connue pour mélanger le gaz à l'air, de telle sorte que les brûleurs à gaz sont du type Bunsen. Des valves 191 servant à régler à la main la quantité de gaz fournie aux carburateurs sont employées pour régler la flamme. La flamme est réglée de manière que les tubes refroidissent graduellement les vapeurs qui s'y élèvent jusqu'à une température juste au-dessous du point de rosir des vapeurs du zinc, de telle sorte que le zinc se condense à l'état liquide et tombe en pluie à travers les tubes dans le collecteur inférieur 175.
Toute quantité de zinc qui se condense dans le
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collecteur supérieur en est évacuée en descendant à travers les tubes dans le collecteur inférieur. Comme c'est représenté, ce dernier est pourvu d'un tube de décharge 193, normalement fermé par le tanpon amovible en argile réfractaire 195, pour pouvoir prélever de ternes à autre le zinc en fusion, le zinc de ce col- lecteur étant maintenu à l'état de fusion par les vapeurs en pro- venance du four qui passent au.-dessus de ce métal.
On comprendra que la vanne 181 montée dans le tuyau d'éva- cuation 179 du collecteur supérieur 174 du condenseur peut être réglée à la main pour régler la pression dans la chambre du four où le métal en fusion est traité pour l'enlèvement du zinc.
Toutefois, si on le désire, la vanne peut être réglée automati- quement d'une manière connue sous l'action de la pression dans la chambre du four pour maintenir cette pression à une valeur constante prédéterminée.
De préférence, comme on l'a expliqué précédemment, chacun des différents fours de fusion décrits est aussi pourvu d'un évent ou tuyau d'évacuation, tel que le conduit 69 du four 131 de la fig.14, pour permettre l'échappement de toutes vapeurs de zinc inévitablement engendrées dans ce four. Ordinairement, la quan- tité de vapeurs de zinc engendrées dans le four de fusion sera faible et ne dépassera par exemple pas 5% environ de la totalité du zinc, lorsque la teneur en zinc de l'alliage chargé est d'en- viron 16%. Toutefois, la quantité de valeurs de zinc variera en fonction du pourcentage de zinc dans l'alliage chargé, et dans les alliages à haute teneur en zinc, par exemple le métal de Muntz et le métal de l'Amirauté, une fraction du zinc peut avoir une importance économique.
Pour cette raison, le tuyau d'évacuation des vapeurs du four de fusion même de préférence à un condenseur de zinc qui peut être identique, comme construction et fonctionnement, à celui décrit précédemment, sauf qu'il n'est pas nécessaire qu'il ait une capacité aussi grande.
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Comme exemple de la réalisation pratique du procédé, mais sans esprit de limitation et en supoosant qu'on emploie l'instal- lation suivant la fig.14, les chambres des deux fours 131 et 133 peuvent présenter intérieurement une longueur de 9 pieds et une largeur de 4 1/3 pieds au niveau du fond du four, chaque four étant garni d'un revêtement de carbone et étant établi de manière à avoir une capacité d'environ 5 tonnes de métal correspondant à un bain de métal d'environ 6 pouces de profondeur. Dans chaque four on peut employer six barres de graphite formant résistances 35, d'environ 6 pouces de diamètre et de 4 pieds de long, dont les axes sont placés à environ 25 pouces au-dessus du fond du four dans le cas du four de fusion 131 et à 16 pouces dans le cas du four 133.
En supposant que le four 133 soit établi pour une décharge non continue, comme c'est représenté sur la fig.14 et que la mitraille ou les rognures soient constituées par un alliage composé de 16% de zinc, 10% de nickel, et du cuivre pour le reste, les paquets B de rognures peuvent être amenés au four de fusion 131 jusqu'à ce que ce four soit rempli de métal en fusion et que se dernier soit prêt à se déverser dans le four 133. Ensuite, les paquets de rognures ou tournures pesant chacun 40 livres peuvent être amenés à la cadence d'un paquet par mi- nute, en d'autres termes, à la cadence d'une tonne par heure, pendant environ 5 heures jusqu'à ce que le four 133 soit rempli de métal en fusion à la profondeur mentionnée ci-dessus, après quoi le chargement de rognures peut être interrompu.
Dans ces conditions un courant suffisant peut circuler à travers les ré- sistances du four 131 pour provoquer la fusion des rognures et leur déchargement de ce four dans le four 133 à une température d'environ 2100 F qui dépasse légèrement son point de fusion, tandis qu'on peut faire passer un courant suffisant à travers les résistances du four 133 pour chauffer le métal à une tem- pérature d'environ 3000 F. Si après avoir chargé le four 133 de cette manière, on continue le traitement à 3000 F pendant une fi
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heure de manière que la durée moyenne du traitement du métal soit chargé dans ce four /d'environ 3,5 heures, la teneur en zinc du métal descendra à environ 2,
5% sans qu'à un moment quelconque de l'azote ou un autre élément semblable ne pénètre dans le four.
D'autre part, en continuant le traitement de manière que la durée moyenne du traitement du métal chargé dans le four soit d'environ 8 heures. La teneur en zinc tombera à environ 0,5%.
Dans le cas où l'on emploie une garniture de matière autre que le carbone élémentaire employé dans le four 133, la teneur en zinc ne descendra qu'à environ 6% au lieu des 2,5% du premier exemple de durée du traitement, et à 3,5% seulement au lieu des 0,5% du second exemple. En introduisant des quantités réglées d'azote ou autre élément analogue, on peut réduire jusqu'à 25% la durée nécessaire du traitement pour abaisser la teneur en zinc à un taux déterminé, dans chaque exemple, cette réduction étant exacte dans le cas où il est fait usage d'une garniture de carbone ou autre revêtement pour le four 133.
Après que le métal a été traité dans le four 133 comme il vient d'être décrit, on peut le soutirer, c'est-à-dire procéder à sa coulée pour vider ce four, après quoi on recommence à charger le four 131 de rognu- res ou tournures pour répéter l'opération. Lorsque le four 133 est aménagé pour le fonctionnement continu, comme c'est repré- senté sur la fig.16, on peut continuer le chargement du four de fusion 131 indéfiniment sans interruption, le métal étant envoyé à travers les fours à la cadence désirée pour produire la réduc- tion nécessaire de la teneur en zinc.
Par exemple, si l'on fait passer un alliage de la composition mentionnée à travers des fours ayant les dimensions indiquées et maintenus aux températu- res spécifiées, à la cadence d'environ 1,1 tonne par heure, dé- terminée par la cadence de l'arrivée de l'alliage à l'état solide dans le four 131, le métal sera traité dans le four 133 pendant environ 3,5 heures et la teneur en zinc du métal déchargé du four 133 sera .'réduite à environ 2,5%, tandis que si on le traite
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à peu près à la moitié de cette cadence sa teneur en zinc tombera à environ 0,5% dans chaque cas, sans introduction d'azote dans le four 133, et on peut réduire ces durées d'environ 25% en introduisant des quantités appropriées d'azote dans le four men- tionné en dernier lieu.
Dans les exemples spécifiques ci-dessus décrits de la réa- lisation pratique du procédé, le condenseur employé pour réduire les vapeurs de zinc à l'état métallique peut présenter la forme indiquée sur les figs.17 et 18, comportant des tubes 177 d'en- viron 6 pouces de diamètre intérieur et environ 3 pieds de lon- gueur, avec des parois d'environ 3/4 de pouce d'épaisseur, formés d'un mélange de graphite et d'argile réfractaire, deux de ces tubes étant employés dans le condenseur pour les vapeurs venant du four de fusion 131 et quatre dans le condenseur pour les va- peurs venant du four 133.
En pratique, si l'on suppose que l'alliage qu'on soumet à la fusion contient environ 16% de zinc, environ 5% de la quantité totale de zinc chargée dans le four de fusion sera récupéré dans le condenseur conjugué avec ce four, tandis que le restant, moins la quantité contenue dans le métal final sera récupéré dans le condenseur conjugué avec le four 133.
On comprendra que les différentes formes d'exécution décrites ci-dessus du récipient dans lequel le métal est traité en vue de l'extraction du zinc ne doivent pas nécessairement être en car- bone élémentaire, et particulièrement le récipient représenté sur les figs.10, 11 et 12, mais dans ce cas en perdant les effets avantageux produits par le carbone élémentaire. En outre, on com- prendra que les conditions dans le four où le métal est traité seront suffisamment non oxydantes dans introduction d'un gaz iner- te à l'intérieur du four, et, conséquemment que ce gaz ne doit pas être employé nécessairement. On comprendra aussi que sans sortir du cadre des revendications ci-après, on peut s'écarter largement des formes d'exécution de l'invention tout en observant le caractère de celle-ci.
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REVENDICATIONS
1) Procédé d'extraction du zinc des alliages à base de cuivre consistant à chauffer une masse d'alliage en fusion présentant une surface libre, jusqu'au point de fusion au moins de son constituant non zincifère, dans des conditions pratiQuement non oxydantes en présence de carbone élémentaire présentant une surface incandescente intersectant la surface libre de l'alliage en fusion, la quantité résiduelle de zinc dans le métal en fusion d'où il est ainsi extrait ne dépassant pas 10%.
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A method and apparatus for extracting zinc from copper base alloys.
The present invention relates to methods and apparatus for extracting zinc from copper-based alloys, so that the non-zinc content of the alloy can be recovered, as well as the zinc if desired.
In order to make the invention fully understood, various practical embodiments of the method and of the apparatus used for the purposes of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a more or less schematic view of an apparatus which can be used to practice the invention;
Fig. 2 is a longitudinal section of a variant of the apparatus;
Fig. 3 and 4 are sections taken along lines 3-3 and 4-4 respectively of FIG. 2;
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Fig.5 shows another form of the metal container of the apparatus according to Figs.2, 3 and 4;
Fig.6 is a section taken along line 6-6 of Fig.5;
Fig.7 is a section corresponding to fig. 6, showing another variant of the metal container;
Fig.8 is a fragmentary view, corresponding to Fig.7, showing yet another variant of the metal container;
Fig. 9 is an ELBOW taken along line 9-9 of fig.8;
Fig.lO shows yet another variant of the metal container of the apparatus according to Figs.2, 3 and 4;
Figs.ll and 12 are sections taken along lines 11-11 and 12-12, respectively, of fig.10;
Fig.13 is a longitudinal vertical section of a variant of the furnace used to treat the metal to remove the zinc;
Fig.14 is a longitudinal vertical section of a variant of the apparatus according to Fig.2;
Fig.15 is a section taken along line 15-15 of Fig.14;
Fig. 16 is a longitudinal vertical section of a fragment of a variant of the furnace for the treatment of metal for the removal of zinc, corresponding to the right end of the furnace on the right in fig. 14 .
Fig. 17 is a side plan view of a condenser for zinc vapors, partially cut away, the view showing part of the furnace from which the vapors are collected by the condenser, and
Fig.18 is a section taken along line 18-18 of Fig.17.
Heretofore, to recover copper from brass or the non-zinc component of other copper-based alloys, the metal has usually been subjected to expensive and wasteful refining processes, such as, for example, blowing in. the molten metal together with air in a reverberation furnace to oxidize and remove * the zinc, allowing the latter to be lost.
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Any attempt to reduce the zinc content of this metal to a point considerably below 10% by removing it from it by boiling or evaporation has heretofore been impractical on an industrial scale, if not scientifically.
If one attempted to reduce the zinc content in this manner, the removal of the last extruded zinc fractions required such high temperatures and time that the process became impractical due to the considerable consumption of zinc. thermal energy, insufficient durability of the furnace, and waste of time.
It is clear that with a constant vapor pressure, the minimum temperature at which the zinc will be expelled from the metal will gradually increase as the zinc is gradually removed. Under the conditions which have hitherto governed the tests carried out previously with a view to extracting zinc by heating the metal which contains it, the temperature necessarily becomes very high when the zinc content becomes low, and when this content becomes low. was reduced to about 3 or 4%, the zinc extraction proceeded so slowly that the reduction in zinc content practically ceased.
In accordance with the present invention, brass and other copper-based alloys containing zinc can be industrially treated to reduce their zinc content easily to levels of the order of 3 to 6%. In addition, by taking advantage of the discovery made above of the catalytic action of incandescent elemental carbon described below, the zinc content can be reduced to even smaller proportions, even down to fractions well below 1. %, that is to say that practically all of the zinc can be removed without loss of time interfering with the execution of the process, and at temperatures considerably lower than those which were believed to be possible hitherto,
either at temperatures of around 1000 F below
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boiling temperatures determined by Henry's and Raoult's laws for metals having the final metal compositions. In addition, in the improved process, the zinc can be recovered in the metallic state, instead of zinc oxide or blue powder or instead of being completely lost as in the prior processes.
The catalytic effect of the incandescent elemental carbon mentioned above can be demonstrated by placing the molten metal in a graohite crucible 1 (fig.l) so as to partially fill it, the crucible being placed in a chamber. muffle tube 3 of an oil-heated muffle furnace 5, to which the combustible mixture is supplied by an oil combustion nozzle 7.
To ensure the existence of non-oxidizing conditions above the metal in the crucible, a cover 9 of graphite or other refractory material can be placed thereon, the latter not necessarily having to be elemental carbon, while 'the muffle chamber can be closed by a refractory cover 11, each cover being provided with a small perforation 13 to allow the free escape of the zinc vapors outside the furnace and being lit with refractory clay as this is indicated in 15. It has been found that by means of this apparatus the molten metal can be heated in the incandescent crucible to the point of removing, within a few hours, substantially all of the zinc at temperatures. significantly lower than the boiling temperatures indicated for the composition of the original metal or the residual metal.
For example, when a molten alloy composed of 16% zinc, 10% nickel and the remainder of copper, was placed in a graphite crucible, about 4 inches high, 3.5 inches inside diameter at the top and 3.25 inches in internal diameter at the base, so as to fill it about up to 1.8 inches from its top, and the muffle chamber was kept at about 2850 F, while
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the interior of the crucible was maintained at approximately atmospheric temperature, the alloy contained after three hours about 0.12% zinc.
However, it was found that if the crucible instead of being of graphite or other elemental carbon were of another material, this same alloy under identical operating conditions would have had a residual zinc content of about 2.1. %, i.e. approximately eighteen times as much zinc as the residual alloy would have contained had it been treated in the graphite crucible.
Crucibles or other receptacles made of non-graphitic carbon, such as, for example, non-graphitic carbon derived from coke, coal, petroleum, coal, soot, etc. give the same results as a crucible or a graphite vessel, and it is possible, when the amount of metal treated in such a vessel is large enough to carry out the present invention on an industrial scale, to reduce the amount. zinc in the residual metal to 0.5% or less.
Methods of making containers, blocks, conduits and various other forms of carbon and graphite parts are well known. Usually, in these processes, the carbonaceous material, for example coal, is mixed with coal tar or other suitable binder to form a plastic mass which is pressure molded into the desired shape and then subjected to heating. fire to crack it and drive away volatile substances and to reduce the material to a more or less pure state of non-graphitic carbon called "carbon" in the trade. By continuing to heat and increasing the processing temperature of the molded part, this "carbon" can be turned into graphite.
The "carbon" produced is strong, hard and compact, while the graphite, although strong and compact, is softer making it more easily machined.
The so-called "carbon" and graphite also constitute
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although diamond, the three known allotropic forms of elemental carbon. In the appended claims the expression "elemental carbon" has been used for convenience of terminology to denote a material from the group consisting of graphite and the substance commercially referred to as "carbon". 'there is no reason to suppose that they are unsuitable for the intended purposes, are products too expensive to be considered in practice.
Crucibles or other vessels made of materials such as magnesite, refractory clay, zirconium silicate, silicon carbide and various other known refractory products of chemically non-elementary carbon do not give the properties. results obtained by means of a carbon or graphite crucible, but when they are used, a considerably greater quantity of zinc remains in the alloy being processed for given temperature and pressure conditions and a fixed duration of the treatment, whereas if the quantity of residual zinc to be obtained using these crucibles must be the same as that obtained using carbon or graphite crucibles for the same treatment duration,
it is necessary to grind undesirable temperatures above approximately 1000 F, and usually about 3-4% zinc is the minimum at which the zinc content can be reduced if the amount of metal being processed is sufficient. large to constitute an embodiment of the present invention on an industrial scale.
The above-mentioned effects can be explained by the fact that a molten alloy containing a given quantity of zinc exhibits, for a given total vapor pressure, a given boiling point when placed in a non-carbonaceous vessel. , i.e. if the alloy is boiled in such a vessel at a fixed temperature and pressure,
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its boiling will continue until the zinc content is reduced to a certain percentage, and then cease unless the temperature is raised or the pressure reduced, so as to ensure the boiling of the alloy at reduced zinc content, the action being similar to that which occurs when a mixture of water and alcohol is heated until the alcohol boils.
However, when replaced by an elemental carbon vessel, it is possible that this material, on becoming glowing, acts as a catalyst to reduce the vapor pressure on the surface of the molten metal so as to allow it to boil at high temperature. a lower temperature, the same as that which would occur if the total vapor pressure above the liquid were reduced by the use of a vacuum pump, assuming it was possible to do so.
It can also be assumed that when the temperature of the molten alloy is below its boiling point for any given total vapor pressure, the zinc under these conditions being expelled from the alloy by evaporation, if the temperature of the latter is higher than the boiling point corresponding to the existing partial vapor pressure of zinc, the same catalytic action takes place, the incandescent elemental carbon then acting to increase the degree of evaporation of the zinc to the same point as if the partial vapor pressure of zinc was much lower than its present value.
Whatever the exact explanation, what is certain is that it has been found that the carbon or graphite container acts, when it is incandescent, as a catalyst to reduce the zinc content of a base alloy. of molten copper by boiling or evaporation at a given temperature and vapor pressure to a content considerably lower than that which would be obtained if the crucible had not been carbon or graphite, for the same duration of the treatment of the metal contained therein, and
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outraged,
that in a container made of carbon or graphite the temperature necessary to reduce the zinc content to a given percentage is appreciably lower than in a container which is not of carbon or graphite and lower than what was thought possible until 'now or which was indicated by the laws of Henry and Raoult, and that in a carbon or graphite vessel it is possible to reduce the zinc content to a lower percentage than if the crucible were not carbon or graphite.
No catalytic effect can be observed in the event of boiling or evaporation of commercially pure zinc or copper-based alloys containing large amounts of zinc. Under these conditions the zinc is so easily removed from the molten metal by boiling or evaporation and at temperatures so near its melting point that if any catalytic action occurs it cannot be observed and has not. no influence on the results obtained under these conditions.
Catalytic action cannot be observed and is significant only for a zinc percentage of 10% or less.
The catalytic effect and its advantages are more pronounced and acquire progressively increasing importance as the zinc content gradually decreases below 10%. When the zinc content of brass or other copper-based alloy gradually drops below 10%, the temperature and duration of the treatment necessary to evaporate or ensure the boiling of a given quantity of zinc at a pressure of given vapor increases progressively, and since the catalytic action reduces this necessary temperature and time, this action is taken advantage of by realizing both a significant saving in energy consumption and an increase in the time. reliability of the furnace, while on the other hand the quantity of metal which can be processed in a determined time is greater.
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Tests have shown that it is necessary to ensure the catalytic action described above that the surface of the mass of molten metal treated is released, both when this mass is in the current state when when is fixed, so as to allow the zinc vapors to escape from it, and that the elemental carbon intersects this surface in the general sense where the internal surfaces of the side walls of a container or crucible of the metal intersect this surface. In addition, in order to obtain this action, it is necessary to heat the molten metal under conditions which are substantially non-oxidizing with respect to this metal.
On the other hand, it has been found that the catalytic action is much more pronounced when the temperature of the molten alloy being processed is at least equal to that of the melting point of its non-zinc-containing constituent, which, as one will understand, is higher than the melting point of the alloy. Any temperature above the melting point of the non-zinc component, up to that which causes the alloy to boil, can be adopted. In practice, for the best results, temperatures above 900 to 1400 ° F above the melting point of the non-zinc component will preferably be adopted, particularly when removing the final zinc fractions if the reduction in zinc content is. thrust as far as about 3%.
As has been said previously, it has been found that the catalytic action does not take place if the elemental carbon is in contact with the molten metal only below its surface.
For example, if the crucible or other receptacle is not made of carbon or graphite and if the elemental carbon is in the form of a block of graohite or carbon placed in the crucible and fixed to the bottom of the latter so to be completely immersed in the molten metal, no catalytic action occurs and the results obtained are identical to those obtained when the block
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is made of silicon carbide or other material not made up of elementary carbon, while when the block is of elementary carbon and is fixed in the crucible of a material other than elementary carbon so as to extend from a point situated above below the free surface of the metal at a point above this surface intersecting the latter, the catalytic action occurs.
In a suitable embodiment of an apparatus suitable for carrying out the invention on an industrial scale, described below by way of example, the molten metal can be heated in the graphite or hard carbon container 17 constituting the crucible or the bottom of an electric furnace in which the free upper surface 19 of the molten metal is intersected by the internal faces of the side walls 21 and 23 of the container. As shown, the vessel 17 is supported by refractory blocks 25 resting on the bottom plate 27, lined with refractory, a furnace chamber 29, the side and end walls. 31 of the furnace also being lined with refractory material.
As shown, on either side of the container 17 the furnace has a bench inside on which rests a layer of refractory insulating material 33 which supports the electric resistance heating elements 55 extending transversely. across and above the container.
These heating resistors which may be made of graphite are shown as being coupled in series by electrically conductive graphite plates 37 which rest on the insulating layers 33, the resistors at the ends being provided with extensions 39 of refractory conductive material, s' extending through perforations 41, made in the wall of the oven, to the exterior of the oven, where they carry terminals 43 for connection to the current source.
Above the heating resistors there is shown a wall 45 formed of
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plates of refractory material which, in use, are heated by the resistors to incandescence and reflect the heat downwards so as to increase the calorific effect on the metal contained in the receptacle or vessel 17. A layer pieces of charcoal 47 can rest on this wall so as to act as insulation to maintain the wall 45 at a maximum temperature.
The refractory linings 25 and 31 and the wall 45 may be of graphite or of hard carbon to help achieve the non-oxidizing conditions in the furnace and for this same purpose the removable cover 49 of the furnace is shown as being provided with a metal casing. 51 which cooperates with a metal casing 53, the lower part of the furnace of which is provided to form a hydraulic seal 55 extending over the entire periphery of the furnace.
The molten metal introduced into the vessel 17 can be supplied from a separate melting furnace 57 through a pipe or other conduit 59 of refractory material, such as carbon or silicon carbide, the inner end of this pipe terminating above one end of the receptacle, so as to discharge the molten metal therein. This can flow from the other end of the container or vessel through a pipe 61, the internal opening of which is located sufficiently above the bottom of the container to maintain a metal bath of the desired depth in it. this last.
From the pipe 61 the metal discharges into a pot 63 of suitable refractory material from where it can be taken from time to time through the refractory pipe 65 normally closed by a removable refractory clay plug 67. Zinc values can be discharged from furnace chamber 29 through a discharge pipe 69 leading to any suitable place of use or distribution of the zinc vapors, such as, for example, a zinc condenser.
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However, the alloy can be melted in the same furnace as that which contains the receptacle or the sole 17,
As shown, the receptacle or hearth 17 is established in such a way that the mass of molten metal contained therein has in relation to its volume a really shallow depth and a large free surface, so as to facilitate removal. heating the metal and escaping zinc therefrom as it flows through the vessel.
As shown, the vessel is elongated in the direction of the flow of the metal flowing therein, which is advantageous because this ensures a gradual rise in the temperature of the metal as the zinc is expelled, so as to promote minimizing the zinc content in the final metal fractions near the discharge end of the vessel. However, for relatively large capacity receptacles or soles, this method of construction entails complications in the execution of the furnace, which can be avoided by giving the receptacle a width much greater in relation to its length than shown in the figures. drawings, without appreciable drawback.
The melting furnace, which must be operated so as to operate only at a temperature sufficient to melt the metal, that is to say at a temperature much lower than that at which it is necessary to heat the molten metal in the receptacle 17, may be of any suitable type, that shown being an electric furnace comprising a melting pot 71 of suitable refractory material, above which is placed a pair of heating elements by resistance 73.
The construction of the melting furnace with respect to the heating resistors and their supports may be identical to that described for the other furnace, the resistors 73, similar to resistors 35, being connected together at one end by a conductive plate 75 , similar to the mentioned plates 37
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previously, which rests on an insulating bench 33 on the side of the firebox, as explained above, while each resistance 73 can be provided with an extension leading to the outside of the oven and similar to the extensions 39 resistances 35.
Likewise, the chamber of the melting furnace, like the chamber intended to receive the receptacle or vessel 17, can be provided with a refractory lining 27, 31, while the removable cover 77 of the melting furnace comprises a block of. graphite 79 which, like wall 45 of the other furnace, is heated by the resistors and acts to reflect heat up and down to the metal being processed.
As shown, a side wall of the melting pot has a passage 81 which is formed therein vertically and communicates with the lower interior part of the pot by a slot 83, the pipe 59 communicating with the passage 81 near the normal level. 85 of the molten metal in the Dot. By means of this construction one can be assured that the slag or scum will actually be removed from the molten metal and will not enter the pipe 59. The accumulated slag and scum can be removed from the time pot. at. the other by pipe 87, normally closed by a removable refractory clay plug 89.
The metal to be melted can be introduced into the pot through the loading duct 91, which, as shown, communicates with a helical conveyor or screw 93 to receive the scrap from the hopper 95. This can be done. turn the screw by means of a chain wheel 97 controlled by an external force, continuously or intermittently.
As shown, duct 91 is provided with a damper or slide valve 99 which, when closed, prevents air from entering the melting chamber, as much of the same does. way the mass of scrap or clippings 101, which normally fills the conduit, even when the valve is open.
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The mass of metal loaded in the pot displaces the molten metal contained therein and brings it out through pipe 59 to bring it into the container or vessel 17. By adjusting the loading of the metal, the flow rate of the metal can be regulated. molten metal in vessel 17 within the melting capacity of the melting furnace.
In the apparatus described the molten alloy is preferably heated in the melting furnace to a temperature which is only slightly above its melting point, so as to prevent significant escape of zinc into the melting furnace, any slight amount of zinc which escapes being discharged through a vent (not shown) similar to vent 69 in figs. 2 and 3.
At this temperature it has entered the previously heated container 17 and is quickly heated to the desired temperature to extract the zinc. As it passes through the vessel its temperature gradually rises and its zinc content gradually decreases, until at the discharge port of the vessel its temperature has reached a maximum and its zinc content a minimum. . When zinc escapes from the surface of the bath the density of the metal from which it is extracted increases, which causes the metal to descend, so that the surface of the bath at any given point is constantly lined with the metal richest in zinc at this point, which facilitates rapid zinc extraction.
Apart from the carbonaceous material of the container or the hearth 17 constituted by the wall of its edges, another carbonaceous material intersecting the free surface of the molten metal in the container may be constituted by the vertical ribs 103 coming from one piece with the bottom of the container, as shown in figs. 5 and 6. If desired, the ribs 103 only may be formed of carbonaceous material, for example graphite or hard carbon, and the remainder of the vessel may be of non-carbonaceous refractory material, such as magnesite, carbon.
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zirconium silicate, silicon carbide or the like, and in this case the lower parts of the ribs 103 may be molded into the bottom wall of the container 17 during the manufacture of the latter.
The ribs may in this case take the form of those shown at 105 (fig. 5) which may be similar to the ribs 103 in all respects, except that their longitudinal lower edges 107 have in cross section a tail shape. 'dovetailed so that it can be locked firmly in the material of the bottom wall of the container.
Likewise, when the container 17 is made of non-carbonaceous material, the side walls and the end walls may be provided with furring 109 of carbonaceous material, such as graphite, as shown in FIGS. 8 and 9, such that the exposed surfaces of these liners intersect the free surface of the flag metal in the container. The furring strips 103 may be dovetail-shaped in horizontal cross section so as to be locked into the material of the side walls and end walls of the container when such material is molded around them during manufacture of the container.
Another form of container or hearth is shown in Figs. 10., 11 and 12. As shown in these figures, suitably spaced transverse partitions 111 are integrally formed with side walls 21 and bottom of the container, the opposite ends of the adjacent partitions being respectively cut out over their entire height to form openings 113. This arrangement establishes a sinuous passage for the molten metal, the passage consisting of parallel paths 115 extending transversely to the container or vessel and connected to one another in series at their opposite ends by the openings 113.
As shown, a bulkhead or dam 117 established in each path 115 extends from a wall
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side 21 of the container to the other and came integrally with these walls and the bottom of the container, the tops of these dams being arranged so as to lie slightly below the upper free surface 19 (fig. 2) ) molten metal inside the vessel.
In this form of construction the molten metal flowing through the vessel flows in a sinuous backward and forward direction transversely to the vessel or hearth through the edges 115 between the higher partitions 111 and the one entering the vessel. in a given course 115 by the adjacent opening 113 must pass over the lower bulkhead or weir 117 to discharge through the opening 113 at the opposite end of the course. This has the effect of causing the molten metal to travel a relatively long path through the vessel, as well as causing the circulating current to vortex and thus facilitate evaporation of the zinc by constantly bringing to the surface. of the bath of the metal richer in zinc as the zinc evaporates from these surface parts of the bath.
Other forms of construction of the container or the hearth may replace those described above such as, for example, an arrangement where the higher walls 111 of Figs. 10, 11 and 12 are omitted while the lower partitions or barra - ges 17 are preserved, which gives the container the shape of a gun rack.
As shown, the furnace in which the molten metal is heated to extract the zinc, is provided with pipes 119 of refractory material which can receive an inert gas, such as nitrogen or hydrogen, coming from an inert gas. communication pipe 121 coming from a supply source of this gas, the latter preferably being heated beforehand. Desired quantities of gas, set by valves 123, can be introduced into the furnace chamber through pipes 119 so as to shave the surface of the molten metal contained in the vessel 17.
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e t. mix with the zinc vapors to dilute them before their departure through the vapor discharge line 69.
Such a gas not only contributes to ensuring non-oxidizing conditions in the furnace chamber, which if they exist will act, as has been observed, to decrease the catalytic effect of the carbonaceous material of the vessel 17, but also reduces the pressure. of partial vapor of the zinc and thus promotes the elimination by boiling or evaporation of the latter from the alloy, whether the container or vessel is made of carbonaceous material or not.
Preferably the chamber is maintained at a pressure slightly above atmospheric pressure to further assure the existence of non-oxidizing conditions, but the decrease in the rate at which zinc is released which tends to occur as a result of this increase. pressure, is due to the reduction of the partial vapor pressure of the zinc caused by the gas admitted to the chamber through pipes 119.
In the apparatus shown the gas thus admitted is particularly effective near the portion of vessel 17 at its discharge end, where the metal contains the minimum amount of zinc. At this location, the rate of removal of zinc from the metal is slower than at points at the opposite end of the container. For this reason, and the fact that the zinc vapor discharge from the furnace chamber is located at this near / opposite end, the zinc vapors are further diluted and the partial pressure of the zinc vapors is therefore lower. near the discharge end of the container.
As shown, other pipes 125 controlled by valves 127 and preferably made of graphite communicate with pipe 121. The pipes extend through the wall of the furnace and discharge into pot 63 located near its. Controlled amounts of preheated non-oxidizing gas, as mentioned above, can be introduced into the metal at
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inside the pot 63, so as to bubble through this metal and remove the residual zinc therefrom, forming bubbles therein. It will be understood that a gas bubble introduced into the metal in this way expands as it rises and forms a space in which the zinc can evaporate. The gas bubble which emerges from the surface of the metal was mixed with the zinc vapors which evaporated.
It then mixes with the gas discharged through the pipes 119 so as to shave the surface of the metal located in the container 17.
It will be understood that at the point where the molten metal introduced into the vessel 17 contains large quantities of zinc, the percentage of zinc in the metal will rapidly drop to a level allowing the catalytic action mentioned above to be reduced. happen.
In reality, zinc-based alloys containing sufficiently large quantities of copper to ensure recovery of the latter will quickly be reduced, by the removal of the zinc, to copper-based alloys, which the receptacle 17 either executed or not in elemental carbon, and therefore the term "copper-based alloys" includes a metal from which enough zinc has been removed during processing for the metal to become a predominantly copper alloy, as such. so that when this occurs the treatment then removes the zinc from a copper base alloy.
It has been found that the initial quantities of zinc given off from the metal being processed are expelled very quickly and that the major part of the processing consists in removing the final zinc fractions, and that regardless of the zinc content of the brass or the like zinc-based alloy introduced into the vessel 17, the same treatment reduces the amount of zinc content roughly to the same content as long as this treatment is continued for several hours.
It will be understood that the hearth on which the molten metal is treated for the removal of the zine need not necessarily
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affect the shape of a container separate from the walls of the oven. For example, the furnace can be constructed as shown in fig. 13, where the conduit 59 discharges the molten metal, coming from the smelting furnace, directly onto the bottom of the furnace so that the latter together with the adjacent parts of the side walls of the furnace chamber constitutes a floor and the furnace chamber constitutes a container for the metal.
In this case the four side walls 31 of the furnace chamber, and preferably also the wall of its bottom 27 are provided with a graphite or carbon lining to produce the above-mentioned catalytic effect, while a dam 129 extending entirely across the furnace chamber is established near the pot 63, to maintain a metal bath on the floor of the provided pipe 61 acting to discharge the metal from the bath into the pot 63.
To ensure a better adjustment of the rate of the treatment of the metal when the furnaces are of relatively large capacity, the installation preferably employed in this case is that shown in figs. 14 and 15, or the same modified as c 'is shown in fig. 16.
As shown in Fig. 16, the melting furnace 131 and the furnace 133 in which the metal is treated to extract the zinc therefrom are of similar construction so as to maintain in each of them a relatively shallow bath of metal having a free upper surface at level 135. Each oven, similar to those described above, is provided with a removable cover 49 and heating resistors 35, the latter being arranged and supported in the manner previously described, while the bottom and the four Side walls of each furnace are lined with suitable refractory material, this material for furnace 133 preferably being graphite or carbon for the reasons set out above.
To load the scrap metal or clippings into the melting furnace 131, the latter is fitted, as is shown,
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an extension 137 provided with an open-ended passage 139 leading from the outside of the oven to the oven chamber. This passage is furnished or presented as being / of a daire of valves or registers of refractory material 141, suitably spaced and movable vertically, pneumatic cylinders 143 of known construction being arranged to raise and lower the doors independently at will. of the worker. Near the outer end of the passage 139 there is shown a table or other support 145 on which can be placed packages of trimmings or turnings B which must be slid from the table into the passage.
When the outer register is raised, a package can be pushed back from the table to bring it into passage 139 in a place between the two registers, after which the outer register can be closed and the inner register raised, then, with the aid of a bar inserted into a notch 147 at the lower part of the outer register, the packet can be pushed from one end of the passage into the oven chamber to the other. As is shown, a pipe 149, controlled by a valve, makes it possible to bring an inert gas, such as nitrogen, into the space provided by the passage 139 between the two registers 141. This gas is admitted. in the passage in sufficient quantity, and preferably in a continuous manner, to prevent the entry of air through the passage into the furnace chamber.
The melting chamber of the furnace 131, at its end opposite the charging passage 139, is shown as being provided with a block 151 of refractory material, provided with a vertical passage 153 which communicates at its lower end with the chamber. of the furnace by a lumen 155. An up-and-down inclined refractory tube 157 communicates with the vertical passage 153, for discharging the molten metal from the furnace 131 into the hearth chamber of the furnace 133.
The end of the tube 157 which enters the hearth chamber of the furnace 133 is shown as being provided with an extension
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descending 159 which enters the chamber or cavity of a cup-shaped block 161, so that the open end of the tube is immersed in that chamber or cavity, from which the metal flows over the edge of the bowl into the body of the oven chamber.
As a result of this construction the molten metal of the bowl seals the adjacent end of the tube so as to prevent the escape at that point of zinc vapors from furnace 133 into furnace 131, thereby allowing furnace 133 to 'operate at a pressure slightly higher than the atmospheric pressure, which prevents any introduction of air into its furnace chamber and causes the discharge of zinc vapors through pipe 69 into the zinc condenser or other substation. use or storage of zinc fumes.
In the embodiment according to fig. 14, the metal can be taken from time to time from the furnace 133 by a pipe 163, of refractory material, normally closed by a removable refractory clay plug 165.
In the variant shown in fig.16, the furnace 133 is arranged to automatically unload the molten metal at the same rate as the loading of the clippings or scrap in the furnace 131. As shown in this fi-gure, a open metal discharge pipe 163. extends through the wall of the furnace from the outside of the furnace in a block 167 of refractory material placed at the end of the furnace chamber attached to the adjoining tube. metal mission 157. This block is provided, as shown, with an inverted U-shaped passage 169, the pipe 163 communicating with one of the branches of this passage, while the other branch communicates. at its lower end with the hearth chamber near the bottom of the latter by a slot 170 formed in the block.
In this way the material of the block located between the two branches of the inverted U-shaped passage forms a barrier which determines the normal level of the upper surface of the metal in the furnace chamber, while the molten metal in
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the branch of the U with which the lumen 170 communicates acts in such a way as to seal this chamber and prevent the zinc vapors from escaping from it through the pipe 163, while at the same time preventing any introduction of outside air into the chamber through the pipe.
When dealing with a slowly flowing metal, such as alloys containing ponderable amounts of ni- ckel, for example, it may be desirable in many cases to heat the tube which discharges the molten metal from the melting furnace into the tube. where the metal is treated for the removal of zinc, and particularly where this tube is of considerable length. For example, the tube 157 of fig. 14 can pass through a heating chamber 171 provided with an oil burner 177 intended to project a flame therein to strongly heat the tube, the products of combustion escaping. of the room in a fireplace 173.
In this way, any detrimental cooling of the metal in the tube is avoided, which could, if it occurs, cause the metal to flow through the tube with insufficient freedom.
Instead of causing a slow and continuous flow of the molten metal from the melting furnace into the zinc removal furnace, the molten metal from the last mentioned furnace can be quickly discharged so as to charge it to full capacity. - cited, and treat the metal thus charged to expel the zinc therefrom, after which the residual treated metal can be removed and the charging operation started again to treat a new charge of molten metal. This variant of the process, although leading to a reduced total capacity of the plant, may nevertheless be desirable in certain cases, particularly where the metal being treated is such as to give rise to a slow flow.
By carrying out the process in this manner, the molten metal can be removed from the melting furnace into a suitable ingot mold, preferably an ingot mold provided with a teapot-shaped pouring tube, so that by tilting the iron.
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The metal may be discharged through the pouring tube from a point below the upper surface of the metal in the pit, a layer of pulverized carbon or other suitable material may be maintained on this surface to prevent oxidation of the metal.
In this case, the furnace intended to treat the molten metal can be provided with a loading opening into which the molten metal can be discharged from a liner, the tube 157 of fig. 14, instead of 'be connected to the melting furnace 131 which may, for example, terminate outside the furnace 133 and be provided with a suitable funnel to receive the metal poured from the mold.
In the previous examples, the zinc vapors given off can be conducted into a zinc condenser, where, by cooling the vapors to just below the dew point relative to the zinc, they can be condensed to the zinc state. liquid.
However, it has been found that when an inert gas is introduced into the furnace where the zinc vapors are given off, the quantity of gas introduced must be regulated in such a way that the dilution of the gas mixture entering the condenser is not. not greater than that which corresponds to a dilution of about 50% by volume at 2000 F, because otherwise the zinc does not condense by separating from the dilute vapors, predominantly in the state of zinc liquid. By cooling this mixture in the condenser to a temperature just below the dew point of zinc, the zinc separates by condensation, this dew seal depending on the degree of dilution of the zinc vapors, while the dilution increases as the zinc gradually condenses.
When there is no dilution or when dilutions reach about 5%, the zinc begins to condense at about 1700 F and for higher dilutions at lower temperatures.
When the condenser is arranged and operates so as to cool the zinc vapors gradually to about 900 F as the vapors circulate therein, virtually all of the
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Zinc vapors will condense regardless of the degree of dilution or the temperature of the vapors entering the condenser.
However, for a degree of dilution of the incoming vapors greater than about 50% it has been found that the zinc condenses entirely or largely in the form of the so-called "blue powder", which does not enter. not molten when it falls into liquid zinc which can collect in the condenser, and for this reason its presence is detrimental.
The zinc vapors, or the mixture of zinc vapors and gases discharged through line 69 can be conducted into the zinc condenser shown more or less schematically in figs. 17 and 18. This condenser comprises the upper collectors. and lower 174 and 175 lined with refractory material and connected by vertical tubes 177 of refractory material of good thermal conductivity such as graphitic refractory clay. As shown, duct 69 communicates with the lower manifold, from where vapors rise through tubes 177 to the upper manifold, which is provided with a controlled discharge pipe 179. by a valve 181.
Around each tube are vertical pipes
183, each provided with a jet nozzle 185 for projecting a gas flame against the tubes. As shown, these pipes receive fuel gas from a manifold 187, each through a carburetor 189 of known construction for mixing gas with air, so that the gas burners are used. Bunsen type. Valves 191 for manually adjusting the amount of gas supplied to the carburetors are employed to adjust the flame. The flame is regulated so that the tubes gradually cool the vapors rising in them to a temperature just below the dew point of the zinc vapors, so that the zinc condenses to a liquid state and rain falls through the tubes in the lower manifold 175.
Any amount of zinc that condenses in the
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The upper manifold is discharged from it down through the tubes into the lower manifold. As shown, the latter is provided with a discharge tube 193, normally closed by the removable fireclay tanpon 195, in order to be able to take from dull to another the molten zinc, the zinc of this collector being maintained in the state of fusion by the vapors coming from the furnace which pass above this metal.
It will be appreciated that the valve 181 mounted in the discharge pipe 179 of the upper condenser manifold 174 can be manually adjusted to regulate the pressure in the furnace chamber where the molten metal is treated for zinc removal. .
However, if desired, the valve can be adjusted automatically in a known manner under the action of pressure in the oven chamber to maintain that pressure at a predetermined constant value.
Preferably, as explained above, each of the various melting furnaces described is also provided with a vent or discharge pipe, such as the duct 69 of the furnace 131 of FIG. 14, to allow the exhaust. of any zinc vapors inevitably generated in this furnace. Usually, the amount of zinc vapors generated in the melting furnace will be small, for example not more than about 5% of the total zinc, when the zinc content of the alloy charged is about 16. %. However, the amount of zinc values will vary depending on the percentage of zinc in the alloy charged, and in alloys with a high zinc content, for example Muntz metal and Admiralty metal, a fraction of the zinc may be of economic importance.
For this reason, the vapor discharge pipe from the melting furnace even preferably to a zinc condenser which may be identical in construction and operation to that previously described, except that it is not necessary that it has such a large capacity.
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As an example of the practical implementation of the process, but without limitation and assuming that the installation according to fig. 14 is used, the chambers of the two ovens 131 and 133 may have a length of 9 feet internally and a length of width of 4 1/3 feet at the bottom of the furnace, each furnace being lined with a carbon lining and being established so as to have a capacity of about 5 tons of metal corresponding to a metal bath of about 6 inches deep. In each furnace one can employ six graphite rods forming resistors, about 6 inches in diameter and 4 feet long, the axes of which are placed about 25 inches above the bottom of the furnace in the case of the furnace of. fusion 131 and 16 inches in the case of furnace 133.
Assuming that furnace 133 is set for non-continuous discharge, as shown in Fig. 14 and the scrap or clippings are made from an alloy composed of 16% zinc, 10% nickel, and copper for the remainder, the packets B of trimmings can be brought to the melting furnace 131 until this furnace is filled with molten metal and the latter is ready to pour into the furnace 133. Then, the packs of clippings or turnings each weighing 40 pounds can be fed at the rate of one pack per minute, in other words, at the rate of one ton per hour, for about 5 hours until the oven 133 is filled with molten metal to the depth mentioned above, after which the loading of clippings can be stopped.
Under these conditions a sufficient current can flow through the resistances of the furnace 131 to cause the melting of the clippings and their discharge from this furnace in the furnace 133 at a temperature of about 2100 F which slightly exceeds its melting point, while that sufficient current can be passed through the resistors of furnace 133 to heat the metal to a temperature of about 3000 F. If, after loading furnace 133 in this manner, treatment is continued at 3000 F for a fi
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hour so that the average time of metal processing is loaded into this furnace / about 3.5 hours, the zinc content of the metal will drop to about 2,
5% without at any time nitrogen or the like entering the oven.
On the other hand, by continuing the treatment so that the average duration of the treatment of the metal loaded into the furnace is about 8 hours. The zinc content will drop to about 0.5%.
In the case where a liner of material other than elemental carbon employed in furnace 133 is used, the zinc content will only drop to about 6% instead of the 2.5% of the first example of treatment time, and only 3.5% instead of the 0.5% of the second example. By introducing controlled amounts of nitrogen or the like, it is possible to reduce by up to 25% the time required for the treatment to lower the zinc content to a determined rate, in each example, this reduction being exact in the case where it is necessary. use is made of a carbon lining or other coating for the oven 133.
After the metal has been treated in the furnace 133 as has just been described, it can be withdrawn, that is to say proceed with its pouring to empty this furnace, after which the furnace 131 is started again with trimmings or turnings to repeat the operation. When furnace 133 is set up for continuous operation, as shown in fig. 16, the charging of melting furnace 131 can be continued indefinitely without interruption, the metal being sent through the furnaces at the desired rate. to produce the necessary reduction in zinc content.
For example, if an alloy of the mentioned composition is passed through furnaces having the indicated dimensions and maintained at the specified temperatures, at the rate of about 1.1 tonnes per hour, determined by the rate Upon arrival of the solid state alloy in furnace 131, the metal will be treated in furnace 133 for about 3.5 hours and the zinc content of the metal discharged from furnace 133 will be reduced to about 2. , 5%, while if we treat it
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at about half of this rate its zinc content will drop to about 0.5% in each case without introducing nitrogen into furnace 133, and these times can be reduced by about 25% by introducing appropriate amounts nitrogen in the last-mentioned oven.
In the specific examples described above of the practical implementation of the process, the condenser employed to reduce the zinc vapors to the metallic state may have the form shown in Figs. 17 and 18, comprising tubes 177 of about 6 inches in internal diameter and about 3 feet in length, with walls about 3/4 of an inch thick, formed of a mixture of graphite and fireclay, two of these tubes being used in the condenser for the vapors coming from the melting furnace 131 and four in the condenser for the vapors coming from the furnace 133.
In practice, if it is assumed that the alloy which is subjected to fusion contains approximately 16% zinc, approximately 5% of the total quantity of zinc charged in the smelting furnace will be recovered in the condenser conjugated with this furnace. , while the remainder, the less the quantity contained in the final metal will be recovered in the condenser conjugated with the furnace 133.
It will be understood that the various embodiments described above of the container in which the metal is treated with a view to extracting the zinc need not necessarily be made of elemental carbon, and particularly the container shown in Figs. 10. , 11 and 12, but in this case losing the advantageous effects produced by elemental carbon. Further, it will be understood that the conditions in the furnace where the metal is treated will be sufficiently non-oxidising in introducing an inert gas into the interior of the furnace, and therefore this gas need not necessarily be employed. . It will also be understood that without departing from the scope of the following claims, it is possible to deviate widely from the embodiments of the invention while observing the character of the latter.
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CLAIMS
1) Process for extracting zinc from copper-based alloys consisting in heating a mass of molten alloy having a free surface, up to the melting point at least of its non-zinciferous component, under practically non-oxidizing conditions in presence of elemental carbon having an incandescent surface intersecting the free surface of the molten alloy, the residual quantity of zinc in the molten metal from which it is thus extracted not exceeding 10%.