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BREVET D INVENTION " Procédé et appareil pour réduire les métaux à partir de leurs
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oxydes." Il
L'invention concerne un procédé et un système de réduction des métaux à partir de leurs oxydes et le premier but de l'in- vention, est de réaliser un procédé et un système, au moyen des- quels les métaux peuvent être rapidement et économiquement ré- duits à partir de leurs oxydes. Quoique le procédé puisse être appliqué à un certain nombre de métaux différents, il est prin- cipalement destiné à la réduction du fer et du cuivre à partir de leurs oxydes.
Que les minerais à traiter se présentent ou non, dans leur état naturel, à l'état d'oxydes, ils peuvent toujours être transformés en oxydes, par grillage à température élevée en présence d'air. L'art de transformer les sulfures et carbonates en oxydes est bien connu, et ne fait pas partie de la présente invention. Il est bien connu, que si des oxydes métalliques sont chauffés à, une température suffisamment élevée, en présence d'un gaz réducteur tel que l'oxyde de carbonée, l'oxyde métallique est réduit à l'état métallique, avec production simultanée d'an- hydride carbonique. Pour toute particule donnée d'oxyde, la réac- tion eommence à la surface et pénètre vers le centre de la par- ticule, à conditian que celle-ci soit exposée à une atmosphère d'oxyde de carbone pendant un temps suffisamment long.
La vites-
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se de réduction est inversement proportionnelle à la masse de la particule individuelle et, si la particule individuelle est suffisamment petite, la température suffisamment élevée et l'at- mosphère maintenue dans les conditions réductrices, la réduction à l'état métallique de la particule d'oxyde métallique, devient instantanée. Il s'en suit, que si un poids donné d'oxyde métal- lique peut être suffisamment divisé et chaque petite particule être réduite individuellement, la vitesse de réduction du tout, peut être considérablement augmentée.
Lorsque de l'oxyde de carbone réagit sur une particule d'on- de métallique, il se produit de l'anhydride carbonique. Si, tou- tefois, du carbone est présent dans la même atmosphère,ce car- bone réduit l'anhydride carbonique à l'état d'oxyde de carbone, A une température de 1000 C, l'anhydride carbonique ne peut pas exister en présence de carbone et, si du carbone est présent, tout l'anhydride carbonique formé dans la réduction des oxydes métalliques, sera instantanément transformé en oxyde de carbone.
La réduction des oxydes du cuivre et du fer, commence à une tem- pérature inférieure à 1000 C mais, à cette température, la ré- duction est complète, si l'oxyde est exposé à une atmosphère d'oxyde de carbone pendant un temps suffisamment long.
Si la réduction des oxydes est effectuée à des températures ne dépassant pas 1000 C, le métal ainsi'produit présente un caractère spongieux et les impuretés non métalliques, n'arrivent pas à leur température de fusion. D'autres ont essayé de réduire des métaux à partir de leurs oxydes à des températures inférieu- res à celles de la fusion des constituants non métalliques du minerai. On a essayé de chauffer des mélanges d'oxydes métalli- ques et de matières carbonées dans des vases clos. D'autres es- sais ont été faits, pour chauffer des oxydes dans des fours rota- tifs au moyen de flammes réductrices dirigées à l'intérieur de ces fours .
Dans aucun de ces systèmes, il n'a été possible de traiter individuellement de grandes quantités de particules finement divisées, soit à une grande vitesse, ou sans quelque réoxydation du métal produit.
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On a trouvé,que si n'importe quelle matière finement divi- sée est forcée sous pression, par des moyens mécaniques,dans un tube, une vitesse uniforme et que ce poussier est compri- mé en une colonne relativement dense sur une faible distance à partir de l'entrée et que, immédiatement au delà de cette zo- ne de compression, de l'air ou du gaz sont introduits dans cet- te colonne, à une vitesse uniforme avec distribution uniforme, la dite colonne de poussier est aérée ou " fluidifiée" et que le mélange de poussier et de gaz présente alors bien des pro- priétés physiques des liquides visqueux, tout en ayant une den- sité notablement inférieure à celle de la colonne compacte de poussier avant la dite aération.
Cette méthode de transport des matières finement divisées, est dtun grand usage et ne ,peut être confondue avec les systèmes dans lesquels des matiè- res sont transportées en suspension dans un courant d'air. Ici, la fonction de l'air ou gaz n'est pas de suspendre des particu- les solides, mais d'isoler plutôt chaque particule de toutes les autres et, en réduisant le contact entre les particules individuelles, l'air ou le gaz permettent l'agrégat de parti- cules de se déplacer dans le tube sur des distances de centai- nes et même de milliers de pieds à une vitesse relativement lente, la propulsion s'effectuant entièrement sous l'action du mécanisme d'alimentation à l'entrée. Le tube peut aller dans n'importe quelle direction et contourner des angles.
Ce pous- sier " fluidifié" contint encore quelque temps à agir comme un fluide, après sa décharge du tube et cède son gaz inclus si len- ( temept, que la poussière n'est pas apparente. Dans des condi- tions nobles, on a l'habitude d'injecter environ quatre vo- lumes de gaz, pour chaque volume de matière solide convoyée, mais on peut employer plusieurs fois cette quantité de gaz et le système fonctionne encore parfaitement. pour la réduction de n'importe quel minerai, il est néces- saire que ce minerai se trouve .
l'état d'oxyde et,si le mine- rai n'est pas un oxyde à l'état naturel, il doit être grillé pour être amené à l'état d'oxyde, par n'importe quel 1 procédé
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classique, rendant que le minerai est alors absolument sec, il est réduit à l'état de fine division et mélangé avec du char- bon, du coke du charbon de bois pulvérisés, ou n'importe quelle autre matière carbonée. Le pourcentage de charbon dans le mé- lange est approximativement d'un tiers de celui du métal à ré- duire, lequel poids est déterminé par l'essai du minerai '-- trai- ter.
Ce mélange sec, pulvérisé et convenablement dosé de mine- rai oxydé et de matière carbonée réductrice, sera désigné ci- après par les termes " matière oxydée "
Le procédé de l'inventio-n comprend la réduction de parti- cules finement,divisées , individuelles et séparées de matière oxydée, tout agrégat des dites particules étant déplacé dans des conditions dites " d'aération Il au travers d'un tybe chauf- fé à la température désirée pour la réduction. Le procédé est plus complètement illustré par le dessin joint au présent mémoi- re et dans lequel:
Figure 1 est une vue schématique et en coupe montrant l'ap- pareil ou système pour l'exécution du procédé de l'invention.
Figure 3 est une coupe longitudinale au travers du disposi- uif d'alimentation et de propulsion ou d'application de pres- sion.
Figure 3 est une vue à échelle un peu plus grande, d'une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la fig. 2.
Dans les dessins, le chiffre 1 désigne un coffre ou autre réservoir approprié dans lequel est emmagasinée de la matière oxydée, qui a été très finement divisée et qui est introduite par gravité dans un mécanisme de propulsion 2 ou d'application de pression, qui comprend un canon ou tube 3, dans lequel se trouve une hélice d'avancement 4, supportée par des paliers 5 et commandée par un moteur 6 ou autre source de force motrice appropriée. Le pas des ailes de l'hélice d'avancement devient plus petit vers son extrémité de décharge, de manière à ce que la matière soit plus comprimée à cette extrémité, qui est reliée avec un tuyau, tube ou conduit allongé 7, dans lequel elle dé- bouche.
Entre le canon ou tube cylindrique 3 et le tuyau ou
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conduit 7, se trouve un anneau d'aération ou construction 8, ayant un passge/à gaz annulaire 9, qui est relié par un tube ou conduit approprié 10, avec un réservoir ou magasin appro- prié 11, une soupape de réglage 12 étant prévue dans le dit tuyau ou conduit. Une pluralité de perforations ou orifices 13 sont prévus dans le tube ou conduit 7, qui communique avec le passage de gaz annulaire 9 , ee de manière à introduire une plu- ralité de jets de gaz dans la colonne de matière pulvérisée com- primée, qui est déchargée du canon ou tube 3.
Ce gaz pénètre alors immédiatement et entièrement dans le corps de la matière oxydée finement divisée, au moyen des interstices entre les particules individuelle de la matière et tout en les séparant l'une de l'autre,-de manière former une colonne visqueuse com- posée d'un mélange de gaz et de particules solides, qui est fluide, s'écoule dans et au travers du conduit 7 et présente une densité apparente inférieure à. celle de la colonne compacte de matière solide abandonnant le canon ou tube 3. Le gaz à uti- liser est, de préférence, de l'oxyde de carbone, provenant d'une opération précédente du procédé.
Le chiffre de référence 14, désigne une chambre de chauffa- ge, ou four approprié, qui est maintenu à n'importe quelle température désirée ou nécessaire, au moyen de brûleurs appro- priés 15, alimentés avec du gaz ou du combustible, par le tuyau 16, à partir de n'importe quelle source appropriée. La matière oxydée est passée au travers de cette chambre de chauffage ou four, dans un prolongement du tube 7. Ce prolongement du tube 7 est dans la forme d'une pluralité de segments 17 verticale- ment disposés, qui sont reliés en série par des courbes ou cou- des 18 à 180 par le sommet et le fond, de sorte que la matière peut suivre ou se déplacer dans une trajectoire étendue en mon- tant et en descendant dans les segments, tandis qu'elle est soumise à la chaleur de la chambre ou four.
Pendant ce passage, les oxydes métalliques de la matière sont réduits à l'état métal- licue. De plus, la température du four et la longueur des seg-
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ments de l'extension du tube 7 du four, ainsi que la vitesse C) C) a -9 0 (
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de la matière qui la traverse, sont réglés pour donner leffet de réduction désiré.
L'extension du conduit 7 est alors prolongée au delà du four 14 tel qu'en 19, et débouche dans unè chambre de dépôt 20, l'extrémité 21 de ce prolongement 19, se terminant à une certaine distance du sommet de la chambre de dépôt et au cen- tre de cette dernière. Dans le fonctionnement de ce système, la matière est maintenue à un niveau supérieur à celui de l'extrémité inférieure du dit prolongement . Le diamètre de la chambre de dépôt 30'est assez grand pour permettre à la ma- tière de se déposer graduellement et de se résoudre en son état initial de solide et de gaz non mélangé et pour permettre au gaz de sortir de la chambre de dépôt 30, par la décharge 22 sans entraîner de la poussière.
Dans le but de prolonger le temps pendant lequel s'effec- tue la réduction des oxydes métalliques, la partie supérieure de la chambre de dépôt 20- et le prolongement 19 du tube 7 entre le four 14 et la chambre de dépôt 20, sont fortement iso- lés, comme indiqué en 23. La matière solide qui est exempte de gaz dans la chambre de dépôt 20, est refroidie au-dessous de la température à laquelle le métal réduit pourrait être réoxy- dé -au contact de l'atmosphère et ce, au moyen d'une enveloppe d'eau 24 entourant la partie inférieure de la chambre de dé- pôt 20.
La matière solide est enlevée et déchargée de la dite chambre de dépôt 20, au moyen de la vis de décharge ou d'ex- traction 25 Ce mécanisme de décharge 5 est commandé au moyen d'un moteur approprié 26, dont le fonctionnement est automatio- quement contrôlé par le régulateur de flottaison 27, de maniè- re à maintenir à niveau constant, la surface supérieure de la matière dans la chambre de dépôt 20.
Le mécanisme décrit, représente une forme d'exécution de 1'.appareil qui peut être employé dans l'exécution du procédé de l'invention, mais il est évident, que l'on peut employer d'autres types d'appareils pour mettre l'invention en prati-
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que sans que l'on s'écarte du principe de l'invention, telle qu'elle est définie dans les revendications du présent mémoire
Ce principe comprend l'avancement de la matière à réduire fine- ment divisée, dans un tube de réduction, l'introduction d'un gaz dans la matière se trouvant dans le système, pour la ren- dre fluide ou mobile, de sorte que la pression soit effective pour effectuer le convoyage de la matière au travers du systè- me,
le chauffage du tube de réduction à une température 'qui amè ne la réduction de la matière dans le tube de réduction et la séparation de la matière @ solide et du gaz, après la ré- duction.
Dans la pratique du procédé, la chambre 20 est à moitié remplie avec de la matière préalablement traitée, tout l'air est exclu du système et remplacé, de préférence, par un gaz résultant d'une opération précédente et l'entièreté du systè- me est chauffé à, la température de réduction désirée. Du gaz, provenant de préférence d'une opération antérieure, est amené par la vanne 12 et la matière du canon 1 est alors introduite dans le système l'état comprimé, par la vis 4.
Lorsque la ma- tière se mélange avec le gaz, elle devient fluide et mobile et passe dans le tube de réduction, en présentant le caractè- re d'un fluide visqueux. pour chaque matière donnée, il y a une vitesse minimum d'écoulement, qui doit toujours être dé- passie, dans le but de maintenir le mélange uniforme du solide et du gaz, et de maintenir les conditions de fluidité. La vi- tesse moyenne du déplacement du courant dans le tube de réduc- tion doit être d'environ 200 pieds à la minute.
Pratiquement, toute la force déplaçant la matière dans le système est due à la pression appliquée a la matière à l'entrée par l'hélice d'avancement et l'application de cette pression est essentiel- le pour déplacer la matière et la compression de cette matiè- re est essentielle pour empêcher le gaz de s'échapper par l'hé- liee d'avancement .
La matière " fluidifiée " se déplace dans le tube et son
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centre se déplace plus fort que l'aire en contact avec les parois, de sorte qu'à tout moment, il existe des conditions de turbulence. Ceci donne lieu à. un remélangeage continu du Gaz et des particules solides, tout en maintenant ainsi la fluidité et amène aussi périodiquement chaque particule à la surface extérieu- re du courant et en contact avec la paroi du tube. Ce mélangea- ge intime assure une uniformité de température entre les diffé- rentes particules et le gaz à n'importe quel point donné de son avancement au travers du tube de réduction..
Lorsque l'on a obtenu une température suffisamment élevée dans la matière,le gaz oxyde de carbone, réagit avec les oxydes métalliques et ré- duit les oxydes à l'état métallique, avec formation d'anhydride carbonique, far suite de la turbulence de la matière passant dans le tube, l'anhydride carbonique ainsi produit est amenté en contact avec des particules de charbon ou autre matière car- bonée et est immédiatement réduit à l'état d'oxyde de car'bone.
Lorsque la température de la matière dans le tube à atteint 1000 C., il est impossible que l'anhydride carbonique existe en présence du carbone et, . cette température, le gaz sera pres- que toujours complètement constitué par de l'oxyde de carbone .
Par suite du fait que chaque particule individuelle de matière oxydée est extrêmement petite et séparée de toutes les autres particules, par une enveloppe de gaz oxyde de carbone, la ré- duction des oxydes métalliques à l'état de métal n'est qu'une question de secondes, après qu'une température suffisamment éle- vée a été atteinte et, le degré de réduction désiré est obtenu, si le courant de matière arrive à la température désirée au moment de sa sortie du four. La réduction des oxydes de fer et de cuivre est légèrement exothermique et, avant d'être déchar- géde la chambre de dépôt, la matière a amplement le temps de rester à une température suffisante pour assurer la réduction complète de sa teneur en oxyde.
La séparation du métal réduit, de la matière non métalli- que, après que le tout a été déchargé de la chambre de dépôt, ne fait pas partie de la présente invention. Il existe plusieurs
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méthodes bien connues pour séparer le fer métallique d'autres impuretés par des moyens magnétiques. La lixiviation du cuivre métallique pour le séparer des matières terreuses, par l'ammo- niaque ou par les acides est largement pratiqué. Cette invention concerne uniquement un procédé pour réduire les oxydes métalli- qu.es à l'état métallique, d'une façon rapide, bon marché et effi- ciente, sans que les matières terreuses qui les accompagnent, soient fondues ou scorifiées.
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P.E\T:E1IO l CATI 0 l'YS.
1. Un procédé pour obtenir des métaux par réduction de leurs oxydes, caractérisé- par ce que de la matière oxydée et un gaz réducteur sont mélangés dans une proportion telle ,que le mé- lange présente les propriétés physiques d'un fluide visqueux, le dit mélange étant passé au travers d'une zone chauffée pour réduire la matière oxydée à l'état métallique.