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PERFECTIONNEMENTS AUX METHODES DE CONCENTRATION DU MINERAI DE FER.
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Cette invention se rapporte au traitement du minerai de fer et, eri pal""ticù1ië1" de minerais ,pauV'.!b" pour produire à partir de- ceux-ci un
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oxyde de fer de qualité supérieures; qui puisse être utilisé pour la produc-
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tion de fer spongieux par réduetion-gazelzser ou qui puisse être- utilisé dans tout autre procédé qui requière- de l'ozydo de fer- pur, ou encore qui puisse être mélangé à des minerais moins- purs et oonerétionnéy briqueté, granulé ou autrement aggloméré- po'nr- être- utilise- dans-un: haut-fowneau.
L?invention a pour, prin13utilisation diacide chlorhydrique gazeux pour produire du perehiorore de ferg suivant l'équation Fe2 03 + 6 HCl 2 FeC}l3 + .3 H200
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Selon 1-'invention, le perchlorure de fer est produit de., cette
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façon et est séparé du minerai par volatilisationo' Il est alors traité à la vapeur pour produire de l'oxyde ferrique. et de 11 aoide chlorhydrique ga= zeux selon l'équation s 2 FeCI3 + 3 H20--) Fe2o3 + 6 HGI.
Cette seconde réaction ou réaction dHBhydrolyseGi est 1-'inverse de la première ete pour assurer qu'elle se produise dans le sens désirée c'est-à-dire de gauche à drite9 il est pécessaire d'utiliser une'concentra- tion suffisante de vapeur à la température de- la réaction conformément aux éléments d'équilibre pour cette réaction.' Par exemple, à 5500 0. l'utilixa-
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tion de suffisamment de vapeur pour faire que le mélange gazeux quittant la
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chambre de réaction contienne 80% diacide chlorhydrique gazeux et 2Qt de.
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vapeur déterminera la réaction à se faire vigoureusement de gauche à droite.
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Comme la seconde réaction est l'inverse de la première, l'acide chlorhydrique gazeux, après avoir été séparé de l'oxyde ferrique et de la vapeur en excès, peut être utilisé pour le traitement d'autre minerai. Ce- ci signifie en effet qu'une fois que le procédé est en oeuvre, les frais d'exploitation sont essentiellement constitués par le prix du combustible employé et du travail nécessaire, et que l'ensemble du procédé est extrême- ment économique, si bien qu'il devient possible d'utiliser économiquement des minerais pauvres dans une mesure qui, jusqu'ici, fut inapplicable.
Une caractéristique importante de l'invention est le traitement du minerai sous forme de lit fluidifiée l'acide chlorhydrique gazeux étant amené dans le minerai à une vitesse telle que les particules du minerai soient maintenues dans un état de turbulence. Le perchlorure de fer produit est emmené de la chambre de réaction avec l'acide chlorhydrique gazeux en excès et ce mélange gazeux est alors traité à la vapeur. On notera que le fait qu'il y a de l'acide chlorhydrique gazeux dans le mélange gazeux qui est traité à la vapeur nécessite l'utilisation d'une quantité de vapeur su- périeure à celle qui serait nécessaire autrement pour assurer que la réac- tion d'hydrolyse s'effectue de gauche à droite.
Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans le traitement du minerai avec l'acide chlorhydrique gazeux en deux phases.
La première est une phase à basse température et elle se passe à une tempé- rature allant de 100 à 2000 C, c'est-à-dire à une température suffisamment haute pour chasser une proportion importante de la vapeur d'eau formée mais, tout au plus, une petite proportion seulement du perchlorure de fer formé.
Dans la seconde phase, le minerai est chauffé avec de l'acide chlorhydrique gazeux supplémentaire à une température située entre 200 et 700 C, pour volatiliser le perchlorure de fer déjà présent et pour former du perchloru- re de fer additionnel à partir de l'oxyde ferrique restant dans le minerai.
Tout ce perchlorure de fer est enlevé sous forme de gaz, du résidu solide.
Si l'on enlève la vapeur à un stade intermédiaire du traitement, il devient possible de conduire énergiquement la première réaction vers la droite et d'éliminer, sous forme de perchlorure de fer, une forte proportion de l'oxy- de ferrique contenu dans le minerai.
Dans la phase où le minerai est traité à acide chlorhydrique gazeux, le fer doit être présent sous forme d'oxyde ferrique livre, Fe2o3, avec ou sans eau en combinaison. Ainsi, par exemple, les minerais riches en hématite, en limonite ou en goethite peuvent être traités, bien qu'il soit préférable de griller les minerais dans lesquels l'oxyde ferrique est hydraté, à des températures allant de 300 à 5000 C pour éliminer l'eau combinée. Des minerais qui, lorsqu'ils sont extraits de la mine,contien- nent le fer sous quelque autre forme susceptible de donner,à la conversion, de l'oxyde ferrique peuvent aussi être soumis au traitement, pourvu que les composés de fer qu'ils contiennent soient d'abord transformés en oxyde fer- rique.
Ainsi, des minerais contenant de la sidérite ou de la chamosite peuvent être rendus propres au traitement par grillage en milieu oxydant, à des températures allant de 400 à 800 C et, de préférence, de 400 à 500 C, et ceux qui contiennent de "la magnétite peuvent, de même, être grillés entre les mêmes limites de température- et,de préférence, à 500 C environ.
Il importe peu que les constituants de la gangue des minerais contiennent de la chaux et de la magnésie combinées car - ce qui est surprenant - une par- tie seulement de cette chaux et de cette magnésie combinées, même si elles sont présentes sous forme de carbonates, est attaquée par l'acide chlorhy- drique gazeux pour former, des chlorures de calcium et de magnésium. Toute- fois, si l'on utilise des minerais contenant de la chaux et de la magnésie en quantité appréciable, il est désirable de traiter les chlorures de chaux et de magnésie contenus dans les résidus, de façon à régénérer l'acide chlorhydrique gazeux.
D'un autre côté, des minerais dans lesquels l'oxyde de fer est combiné avec l'oxyde de titane, comme c'est le cas pour l'ilmé- nite, ne peuvent être traités économiquement selon l'inventiono
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Un procédé selon l'invention sera maintenant décrit en détail, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est un schéma de l'installation et la figure 2 re- présente schématiquement l'appareil de réaction dans lequel se forme le perchlorure de fer.
'L'installation illustrée est complètement fermée pour ce qui concerne les gaz-qui participent aux réactions, et elle comprend un gazo- mètre 1 pour l'acide chlorhydrique gazeux, qui fonctionne comme un réser- voir pour permettre des variations dans le débit d'écoulement du gaz à travers l'installation. L'acide chlorhydrique gazeux, doit passer à travers l'installation sous l'effet d'une pompe 2, qui peut'aspirer du gazomètre 1, comme il est nécessaire, et il passe de la pompe, par un tuyau 3, dans un appareil de réaction 4, une partie dudit gaz ayant préalablement été chauffée par passage dans un échangeur de chaleur 5.
L'appareil de réaction 4,.montré à la figure 2, comprend une chambre à basse température 6 et une chambre à haute température 7, et du minerai préchauffé à une température de 150 à 2000 C est amené à la seconde chambre citée, à partir d'une trémie 8, par un tuyau 9. Le minerai est ame- néà la trémie à un débit contrôle par un alimenteur mécanique 30.
Le minerai doit être amené sous la forme de particules assez fines, dont le calibre est limité, d'une part, par un diamètre de 1/10 pou- ce et, d'autre partpar les dimensions de particules qui traversent tout juste un tamis à 200 mailles par pouce courant. Ce minerai est fluidifié, c'est-à-dire maintenu dans un état de turbulence, par le gaz chaud entrant, . dont la vitesse doit être assez élevée à cet effet mais non élevée au point d'emporter toutes les particules hors de l'appareil de réaction. .La fi- nesse des particules est nécessaire, à la fois pour permettre la constitution des lits de minerai fluidifié et pour permettre au perchlorure de fer formé de distiller aisément hors du minerai, lorsque la température de volatili- sation est atteinte.
L'appareil 4 est constitué par une cuve d'acier doux, garnie de briques réfractaires, et il est divisé par un diaphragme non perforé 10, pour former les chambres 6 et 7.
Dans la chambre 6 se trouvent trois diaphragmes perforés 11, 12 et 13, en métal ou en matière réfractaire, qui supportent des couches de par- ticules de minerai !4, 15 et 16, et dans la chambre 7 se trouvent deux dia- phragmes analogues, 17 et 18, qui supportent des couches de particules de minerai 19 et 20. Les particules sous forme de lits fluidifiés peuvent s'écouler'de l'un des lits au suivante par des tuyaux 21 à 24, le- tuyau 23 passant par le diaphragme 10, pour conduire les particules de la chambre 6 à la chambre 7, et les résidus de la réaction quittent le dernier lit,20, par un tuyau 25.
L'acide chlorhydrique gazeux quittant la pompe 2 est à la tem- pérature ambiante ou à une température voisine de celle-ci et à une pression par pouce carré comprise entre 1 e-t 5 livres au-dessus de la pression atmos- phérique
Une partie de ce gaz contrôlé par une vanne 27, s'écoulée par un tuyau 26, vers le fond de la chambre 6, tandis que le restante contrôlé par une vanne 55 s'écoule par le tuyau 3 et l'échangeur- de chaleur 5. Une partie de ce gaz chauffé dans l'échangeur de-chaleur s'écoule par le tuyau
3, sous le contrôle d'une vanne 56, vers le fond de la chambre de réaction 7, et une partie de ce- même gaz s'écoule, par un--tuyau 58, sous la contrôle d'une vanne 57, vers le tuyau 26.
Ainsi, le volume et la température de l'acide chlorhydrique gazeux entrant dans les chambres de réaction 6 et 7
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peuvent être contrôlés au moyen des vannes 27, 55, 56 et 57. Par ces con- trôles, une partie de l'acide chlorhydrique gazeux à une température située entre 100 et 200 C, soit à 170 C, est smené au fond de la chambre 6. Il monte alors à travers cette chambre,, à une vitesse linéaire comprise entre 0,2 et 2 pieds par seconde, calculée sur le volume du gaz à la température ambiante passant par l'appareil vide, et il maintient chacune des couches 14,15 et 16 à l'état fluidifié. Le minerai formant ces couches absorbe rapidement l'acide chlorhydrique gazeux pour produire du perchlorure de fer et de la vapeur.
Une très petite quantité de perchlorure de fer est dis- tillée à la température régnant dans la chambre 6. La réaction est exo- thermique et, si c'est nécessaire, les lits de minerai contenus dans la chambre 6 peuvent être refroidis intérieurement. La vapeur produite, avec l'excès d'acide chlorhydrique gazeux et la petite quantité de perchlorure de fer qui est volatilisée, quitte la chambre 6 par un tuyau 28 et passe à travers un cyclone 29, dans lequel la poussière est enlevée du courant gazeux, lequel s'écoule, par un tuyau 31, vers une chambre d'hydrolyse 32.
Le minerai partiellement chloruré pénètre dans la chambre 7, par le tuyau 23, et y est disposé en lits fluidifiés 19 et 20 par le gaz qui est contrôlé comme décrit ci-dessus et est à une température comprise entre 200 et 700 C et, de préférence entre 300 et 400 C. Ici, la chloruration de l'oxyde ferrique contenu, dans le minerai est achevée et le perchlorure de fer est distillé et part, avec l'excès d'acide chlorhydrique gazeux et avec le restant d'eau de réaction, à travers un tuyau 33 menant à un cyclone 34, qui est semblable au cyclone 29.
De celui-ci, le courant gazeux s'écoule, par un tuyau 35, vers la chambre d'hydrolyse 22
Les lits fluidifiés, dans.l'appareil de réaction 4, sont haute- ment réactifs et permettent aux réactions de se produire et de s'achever plus rapidement que lorsque de plus gros morceaux de minerai sont traités.
Ainsi, il a été constaté que l'élimination du perchlorure de fer par dis- tillation dans un courant d'acide chlorhydrique gazeux à environ 200 à 300 C pouvait être effectuée en des laps de temps de l'ordre de 1 à 2 heures, lorsque le minerai traité était broyé de façon à passer à travers un tamis à mailles de 1/16 pouce, tandis que, lorsque des morceaux allant jusqu'à 5/8 pouce étaient employés, la durée se prolongeait jusqu'à 12 heures. Un autre avantage important et inattendu résultant de l'utilisa- tion de lits fluidifiés est que les réactions parasites tendant à produi- re de l'oxychlorure ferrique, qui n'est pas volatil, sont éliminées dans une grande mesure, lorsque le minerai est fluidifié pendant la réaction prin- cipale.
Dans les phases de chloruration, il est essentiel d'utiliser un excès d'acide chlorhydrique gazeux considérablement supérieur à celui qui est indiqué dans l'équation de chloruration car, autrement, la réac- tion ne se produirait pas complètement. Cet excès se range., en pratique, entre 2 et' 6 fois la quantité théorique calculée en partant de l'équation de chloruration, le chiffre exact dépendant de la température employée pour la chloruration et croissant avec cette température.
Ainsi à une température de 300 C, une quantité allant jusqu'à 10% de vapeur dans les gaz, quantité qui correspond à l'utilisation de ' plus de 5 fois la quantité théorique d'acide chlorhydrique gazeux., réduira très considérablement la vitesse de la réaction, tandis que, dans la gamme de températures préférée de 150 à 190 C dans la chambre 6, une quantité allant jusqu'à 30% de vapeur, quantité correspondant à moins de 2 fois la quantité théorique d'acide chlorhydrique gazeux, peut être tolérée.
On verra qu'en effectuant la réaction de chloruration en deux phases, la quan- tité d'acide chlorhydrique gazeux requise est beaucoup moindre que dans le cas ou une seule phase est employée, puisque la vapeur produite dans la pre- mière phase est éliminée avant que le minerai pénètre dans la chambre 7, pour être soumis à la seconde phase de réaction, qui est plus chaude. Dans
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cette phase, la température ne doit pas s'élever au-dessus de 700 C parce que, autour de cette température, le perchlorure de fer commence à se décom- poser en chlorure ferreux. Naturellement, il est important d'empêcher la formation de chlorure ferreux, lequel n'est pas volatil.
La présence d'air dans les gaz de réaction, ou de petites quan- tités de chlore, n'est pas un inconvénient; au contraire, elle contribue à l'oxydation de tout oxyde ferreux ou de chlorure ferreux qui puissent être présents.
La chambre d'hydrolyse 32 est un appareil garni de briques, contenant des tubes verticaux 39, réfractaires ou métalliques, chauffés à des températures comprises entre 400 et 800 C par les gaz chauds s'écoulant, par un tuyau 36, d'une chambre de combustion 37. De la vapeur qui est sur- chauffée à la température de réaction approximativement est injectée dans la chambre 32, par un tuyau 38. L'hydrolyse qui doit donner de l'oxyde fer- rique et de l'acide chlorhydrique gazeux se produit dans les tubes 39. L'oxy- de ferrique produit se dépose sur les parois des tubes sous forme de flo- cons détachés et il peut aisément en être secoué, pour tomber, à travers un fond 40, en forme de trémie, de la chambre, dans un récipient 41, en passant par une vanne à croisillon 59.
Des fils de fer ou chicanes peuvent être placés dans les tubes 39, pour aider à cette opération, et ils peuvent être périodiquement soumis à vibrations ou secoués de l'extérieur de la chambre.
Les gaz de réaction, qui peuvent comprendre, par exemple, 80% d'acide chlorhydrique gazeux et 20% de vapeur à une température comprise entre 500 et 600 C, quittent la chambre d'hydrolyse 32, par un tuyau 42, et passent, à travers un cyclone 43, dans un tuyau 44 menant aux échangeurs de chaleur 45 et 46, dans lesquels ils sont refroidis à environ 100 C et des- quels ils passent dans un condenseur 47 à refroidissement par eau. Ici, une solution aqueuse d'acide chlorhydrique est formée par condensation. La plus grande partie du gaz n'est pas condensée et s'écoule vers la pompe 2, par un tuyau 48. La solution condensée est forcée par une pompe 49 à passer par l'échangeur de chaleur 46 et elle agit comme agent réfrigérant pour les gaz chauds s'écoulant par cet échangeur et par l'échangeur 45.
Cette solution est transformée en gaz dans les échangeurs de chaleur et elle les quitte en passant par un tuyau 38, qui est relié à l'échangeur 45. Ces gaz peuvent comprendre, par exemple, environ 83% de vapeur et 17% d'acide chlorhydrique gazeux, et ils fournissent la plus grande partie de la vapeur qui sera-utilisée dans la chambre d'hydrolyse 32.
L'oxyde chaud contenu dans le récipient 41 est refroidi au moyen d'air froid, qui entre en 50 et part, sous forme d'air chaud, par un tuyau 51, pour être utilisé comme air de combustion dans la chambre de com- bustion 37, à laquelle du combustible est amené en 52. Les gaz de combus- tion, après avoir chauffé les tubes 39 de la chambre 32, s'écoulent, par un tuyau 53, vers un échangeur de chaleur 5, où ils chauffent l'acide chlor- hydrique gazeux s'écoulant vers l'appareil de réaction 4. Ces gaz provenant de la combustion quittent l'échangeur de chaleur 5,par un tuyau 54.
L'installation représentée peut être modifiée en de nombreux points. Par exemple, dans la chambre de réaction 4, tous les lits sont représentés de diamètre identique mais, si on le désire, le diamètre de chaque lit peut être modifié de façon qu'à leur tour, les vitesses des gaz varient de manière à maintenir les conditions de fluidification à leur va- leur optimum. En particulier, les vitesses des gaz augmentent quelque peu à mesure que le minerai descend à travers la chambre 6, parce que les particules augmentent en poids à mesure que le perchlorure de fer est formé, tandis que, au contraire, dans la chambre 7, ou.le perchlorure de fer est séparé par les gaz plus chauds et éliminé du minerai, les vitesses optimum des gaz décroissent toujours à mesure que les résidus décroissent en densi- té.
Conformément, il est préférable que le diamètre du lit inférieur, 20,
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soit légèrement supérieur à celui du lit 19, disposé immédiatement au-dessus de celui-ci, tandis que celui du lit 19 est, à son tour, de préférence quel- que peut supérieur à celui du lit 16.
En outre, le nombre de couches dans les chambres 6 et 7 peut être modifié, mais il est préférable qu'il y ait au moins deux couches dans chaque chambre.
La chambre 6 peut être complètement séparée de la chambre 7, des moyens étant prévus pour amener le minerai traité de la chambre 6à la chambre 7.
Les cyclones 29, 34 et 43 peuvent être placés à l'intérieur des chambres 6, 7 et 32 respectivement, au lieu d'être placés à l'extérieur de celles-ci.
Si on le désire, le récipient 41, qui reçoit l'oxyde chaud produit dans la chambre d'hydrolyse 32, peut présenter un ou plusieurs lits portés par des diaphragmes perforés, si bien que l'oxyde ferrique produit peut être refroidi en milieu fluidifiant par le courant d'air provenant du tuyau 53.
De plus, de la vapeur peut être amenée à la chambre d'hydro- lyse 32, en provenance d'une source extérieure, au lieu que soit utilisée la vapeur séparée par condensation de la masse d'acide chlorhydrique ga- zeux et reconstituée ensuite dans l'échangeur de chaleur.
A titre d'exemple des résultats qui peuvent être obtenus, un minerai de fer siliceux, après grillage à 400 C, contenait 42,1% de fer, 21,4% de silice et 1,92% de chaux, plus de la magnésieo 97,1% de la te- neur en fer furent distillés du minerai par traitement à l'acide chlorhydri- que gazeux, à des températures allant jusqu'à 400 C, laissant des résidus de la composition suivante :
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<tb> Fe <SEP> 3,4%
<tb>
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<tb> SiO2 <SEP> 54,8%
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<tb> Al2O3 <SEP> 23,1%
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<tb> CaO <SEP> 3,7%
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<tb>
<tb> MgO <SEP> 1,1%
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<tb> Cl <SEP> 5,9%
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Les résidus contenaient également pratiquement tout le soufre et le phos- phore du minerai de départo
Le perchlorure de fer produit fut hydrolysé dans une atmosphère contenant approximativement 20% de vapeur et 80% d'acide chlorhydrique ga- zeux à une température de 500 C et il donna de l'oxyde ferrique contenant 69% Fe (le chiffre théorique pour Fe203 étant 69,9% ), avec de simples tra- ces de soufre, de phosphore et de silicium.
A titre d'exemple encoreon,traita ùn minerai contenant 41,7% de fer, 14,8% de silice et 8% de chaux. Le pourcentage de fer recueilli sous forme de perchlorure de fer fut 94% tandis que les résidus contenaient 8,7% de chlore, 17,3% de chaux et 1,55% de magnésieo On notera que la quan- tité de chlore contenue dans les résidus ne' représente que 36% environ de celle qui est nécessaire pour la combinaison avec toute la chaux et toute la magnésie