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Borax (tétraborate de sodium) anhydre, procédé et appa- reil pour sa fabrication.
La présente invention a pour objet un produit nouveau ou borax anhydre cristallin, et elle porte également sur un procédé de fabrication de ce produit.
Le borax ordinaire du commerce (Na2B4O7 .lO2H2O) a une forte teneur en eau et dans le commerce de ce borax
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un élément appréciable de frais est représenté par le prix du transport dû à'la nécessité d'expédier cette eau de cris- tallisation. Pour certains usages, on désire également ob- tenir un borax anhydre exempt d'eau. Jusqu'à présent, quand du borax était deshydraté, on obtenait généralement un pro- duit connu sous le nom de verre de borax. Ce produit présente l'inconvénient qu'il est extrêmement difficile d'éliminer la dernière fraction de l'eau de cristallisation et que le produit est extrêmement dur et très difficile à broyer.
Autant qu'on sache, la caractéristique de dureté du verre de borax ne présente pas d'avantage dans les usages subséquents, mais elle a plutôt pour conséquence de sérieux inconvénients. En effet, en premier lieu, pour réduire le produit, il est nécessaire de disposer d'un matériel extrê- mement robuste dont l'entretien est un facteur important dans la détermination des frais de production de borax an- hydre. Outre cette nécessité regrettable de gros frais d'en- tretien du matériel de broyage, le verre de borax use et dégrade sérieusement pendant son broyage les surfaces d'acier servant à ce broyage et une quantité considérable de fer (à la fois sous la forme de croûtes et de particules métal- liques solides) se trouve entraînée dans les produits résul- tants.
Cette contamination est indésirable dans certains cas, tels que lorsque du borax anhydre doit être utilisé dans les industries de l'émaillure et de la verrerie, Un autre incon- vénient de la nature dure du borax vitéux produit par la pra- tique antérieure c'est qu'il est difficile de le réduire à la grosseur de grain voulue, pour lui permettre de passer à travers un tamis de grosseur de maille déterminée. Si le verre de borax est suffisamment broyé dans le broyeur moyen
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pour éliminer la matière à trop gros grains indésirable, il en résulte invariablement qu'on produit en quantité in- désirable et considérable de la matière à grains trop fins.
Une caractéristique générale de la présente invention consiste dans la production sous forme cristalline d'un borax anhydre qui est friable et facilement réduit. On a constaté qu'en réglant convenablement la déshydratation du borax ou autres tétraborates hydratés, lorsque le composé de borate approche de l'état anhydre, mais avant qu'il atteigne un état complètement anhydre, on peut l'amener à se cristalliser entièrement sous forme de borax anhydre à un état friable, facilement réduit, en chassant en même temps de la masse qui est deshydratée la dernière trace d'eau qu'il est ordinairement si difficile de retirer dans l'opération de la production de verre de borax.
L'invention présente encore cette particularité de four- nir un borax anhydre qui peut être réduit ou broyé sans user ou dégrader sérieusement les surfaces de broyage du matériel utilisé, de sorte que le produit résultant est sensiblement exempt de fer, ce borax anhydre cristallin pouvant être réduit à une grosseur de grains passant dans un tamis de grosseur de mailles particulière, sans produire une quantité appréciable de matière à grains trop gros ou trop fins.
L'invention s'étend par conséquent à un procédé de production de borax anhydre par lequel du borax peut être réduit à un état complètement anhydre, d'une manière simple et économique. Elle porte aussi sur un procédé par lequel il est possible de produire du borax anhydre qui est plus facilement réduit.
Les divers buts, caractéristiques et avantages de
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l'invention seront d'ailleurs mieux compris à l'aide de la description qui suit d'un mode d'application préféré de ce procédé de production de borax anhydre cristallin. De même, ce procédé sera compris plus facilement par la description d'un appareil préféré dans lequel le procédé est mis en application, qui est représenté dans les dessins annexés, dans lesquels :
La fig. 1 est une élévation, principalement en coupe verticale.
La fig. 2 est une coupe horizontale, principalement suivant la ligne 2 - 2 de la fig. 1.
Selon le mode d'application préféré du procédé, un composé tétraborate hydraté est soumis à la deshydratation en le chauffant dans un four convenable. Bien que dans cer- tains cas; on préfère introduire le borax ordinaire ou dé- cahydrate de tétraborate de sodium, n'importe quel tétra- borate partiellement hydraté peut être utilisé. On préfère dans le procédé charger dans le four un tétraborate hydraté correspondant au monohydrate.
Dans le four de déshydratation, le tétraborate hydraté est chauffé pour éliminer l'eau d'hydratation jusqu'à ce qu'il ait été suffisamment deshydraté de façon à atteindre un état fondu et il peut être chauffé à des températures un peu plus élevées au cours du traitement. Au moment où le composé de borate atteint l'état fondu, toute l'eau, sauf une très minime quantité, a été chassée. Les traces d'eau restantes sont éliminées avec une difficulté extrême et, dans la pratique ordinaire, une certaine quantité de borate est soumise à une température supérieure pendant de longues périodes de temps, afin de chasser l'eau résiduelle, Il en
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résulte qu'on obtient finalement un produit connu sous le nom de verré de borax, qui n'a pas de structure cristalline et qui est extrêmement dur et dense.
Ce produit ne peut être réduit ou broyé qu'avec une difficulté extrême et avec de grands frais de dépréciation du matériel de broyage.
Conformément à l'invention, dès que le borate a été réduit à l'état fondu et rendu fluide ou susceptible d'être facilement versé ou très peu de temps après on le déverse du four dans des moules dans lesquels on le laisse refroidir.
On a constaté que lorsque le borate fluide est versé dans des moules en cet état et laissé à refroidir, il se cristallise simultanément et que l'eau résiduelle d'hydration fait di- later la masse, en produisant une masse quelque peu poreuse de cristaux de borax anhydre qui est apparemment entièrement exempte d'eau.
Lorsqu'on parle de la fusion du borax ou de son état fondu, on entend mentionner ici la fusion ou fonte véritable du borax ayant lieu à environ 700 à 800 C, plutôt que la solution de borax dans son eau de cristallisation, qui a parfois lieu à environ 100 C, lorsqu'on cherche à deshy- drater le décamydrate.
Le borax cristallin anhydre ainsi produit se trouve à ce qu'on peut appeler un Il état friable", c'est-à-dire qu'il est facilement brisé et qu'il peut être concassé à la main en cristaux de borax relativement petits, tels, par exemple, que des cristaux qui seraient retenus sur des tamis de 20 à 150 mailles, c'est-à-dire de grosseur moyenne de 1 mm. à
Omm, 1.
Dans le fonctionnement du four servant à la production du produit anhydre cristallin, il est important qu'on évite
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de soumettre le borax fondu à la haute température pendant de longues péri odes de temps, pour cette raison, on fait fonctionner le four de manière à y maintenir une charge relativement petite, soumise au traitement dans ce four, puis on amène de la matière en continu dans le four et on la retire également en continu.
On a aussi constaté qu'il est avantageux d'utiliser le borate même comme protection ou revêtement intérieur des parois du four. Lorsqu'on fait passer le borax fondu dans des moules pour la cristallisation, on préfère utiliser un moule qui se dilate vers le haut afin de permettre la libre dilatation de la matière dans les opération de cris- tallisation.
Dans les dessins, 1 désigne un brûleur, qui peut être de construction usuelle ou préférée et qui utilisé, de pré- férence, das combustibles fluides, tels qu'huile ou gaz.
Ce crûleur projette une flamme contre une voûte de briques ou maçonnerie réfractaires 2, qui est protégée contre l'éro- sion par une chemise d'eau 3 et qui est suspendue par un certain nombre de tubes 4 refroidis par de l'eau. Un dis- positif est prévu pour permettre de régler la position de la voûte réfractaire 2 dansle four ; ce réglage peut se faire par des écrous 5 portant sur la partie renforcée
6 d'une paroi de dessus conique réfractaire 7 du four,
Une cheminée 8 est disposée dans le sommet de la paroi de dessus du four et est supportée par cette paroi.
Le cône de maçonnerie réfractaire 7 formant la paroi de dessus du four est supporté par des parois latérales
9 du four, qui peuvent être en métal ou en maçonnerie et qui sont, de préférence, de forme cylindrique. Ces parois
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latérales 9 comportent une série d'orifices d'alimentation et d'aubes 10. L'ensemble du four est supporte par un bâti 11 pouvant présenter toute forme désirée.
Le four est muni de trémies de distribution 12, de préférence au nombre de trois, dont une apparaît sur la fig. 1. Dais la pratique, ces trémies de distribution sont remplies du borate devant être deshydraté et cristallisée et elles lui permettent de s'écouler par gravité dans le distributeur tournant 13. Ce dernier comporte une paroi extérieure cylindrique 14 et un fond annulaire 15 ; par contre, son côté intérieur est ouvert pour assurer la com- munication avec les orifices d'alimentation percés dans les parois latérales 9 du four, La paroi extérieure 14 du dis- tributeur est munie d'uue couronne dentée 16, au moyen de laquelle elle peut être entraînée par le pignon 17.
Le distributeur 13 est également muni d'aubes 18 assu- rant une alimentation forcée. Ces aubes sont fixées à une extrémité aux parois latérales extérieures du distributeur et courbées vers l'intérieur jusqu'au bord intérieur de ce dernier ; elles sont fixées en place en les soudant ou en les fixant d'une autre manière aux parois de fond 15 du distributeur.
La paroi latérale du distributeur comporte une série de portes 19, dont chacune est destinée à fermer plusieurs orifices conduisant à l'intérieur du four ; ces portes sont articulées aux parois latérales et munies' de prolon- gements de commande 20, destinés à venir en prise avec les aubes d'alimentation forcée 18 du distributeur pour être ouvertes par elles pendant le mouvement du distributeur.
Après être entré dans le four, le borate forme un
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lit 21 présentant approximativement la forme d'un cône renversé, qui atteint éventuellement l'angle de repos de la matière représenté par la surface 22. Le four est désor- mais prêt pour travailler en continu.
Lorsque du borate est amené de nouveau dans le four, il est protégé contre les gaz chauds se trouvant à l'in- térieur du four pendant un temps court par une chemise d'eau 23, après quoi il passe par gravité dans la zone de fusion. Le borate qui est fondu dans le four tombe rapide- ment en passant sur une chemise d'eau 24 dans un collec- teur 25, comportant un tube verticale 26 et un fond incliné vers un moule 27.
Le service du four est assuré de façon à maintenir continuellement une accumulation de borate 21 et de manière qu'une petite quantité seulement de la matière contenue dans le four atteigne un état fondu à la fois, en sorte que la matière, dèsqu'elle atteint un état fondu, est rapidement défournée, ce qui empêche sa cuisson pendant des laps de temps prolongés. Il semble bien que le fait d'éviter le chauf fage prolongé de la matière après qu'elle a atteint l'état fondu est un élément important pour assurer la cristalli- sation du borax anhydre.
Il semble aussi que par la fusion du borate de la façon décrite et en faisantt sortir immédia- tement ce borate de la zone de fusion, puis en faisant venir la matière fondue en contact avec le borate non fondu semi- deshydraté 21, il se produise dans la masse fondue certains noyaux cristallins naissant de la matière première semi- déshydratée. Ces noyaux cristallins produisent une cristal- lisation rapide de la masse après qu'elle a été retirée du four.
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Dans la mise en pratique du procédé de l'invention, la surface inclinée 22 du lit 21, le degré de chauffage du brûleur et la vitesse d'alimentation sont réglés de façon que la matière quittant le four reçoive une fluidité suf- fisante, mais n'ait pas été exagérément chauffée ou maintenue à de hautes températures pendant de longs laps de temps.
Par cette caractéristique, la fusion qui caractérise de l'invention diffère beaucoup de celle qui a lieu dans les fours en usage antérieurement, dans lesquels une charge de matière fondue est maintenue à de hautes températures pen- dant des laps de tempsprolongés.
Le borax anhydre cristallin produit par le procédé, objet de l'invention, lorsqu'il est broyé et mis en sacs, pèse approximativement 68 kgs. par sac, comparativement au poids de 52 kgs. qui e,st obtenu quand du borax ordinaire (décahydrate de tétraborate de sodium) est mis en sacs. De plus, comparativement au décahydrate, un sac de borax anhydre cristallin contient approximativement 68 kgs, de Na2B4O7, contre 27kgs, 4 de Na2B4O7dans un sac de décahydrate de té- tra.borate de sodium.
La cristallisation du borax fondu semble avoir lieu au point de fusion ou juste au-dessous de ce point. On préfère, dans l'opération de cristallisation, que le refroidissement soit conduit relativement lentement, afin d'empêcher la formation de verre.Il semble aussi que l'opération de cris- tallisation ne se produit pas toujours spontanément. D'une façon générale, la masse peut être amenée à se cristalliser par agitation, notamment lorsque la masse est semée de grains d'une façon quelconque. On ne trouve pas en général qu@l soit nécessaire d'additionner des semences de cristaux de
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borax à la masse, car la cristallisation sera provoquée en raison du semage provenant de la poussière de borax se trouvant dans l'atmosphère ou venant du four.
Bien que dans certains cas, il puisse être désirable de soumettre la matière fondue qui est soumise à un lent refroi- dissement à une agitation mécanique, afin d'amorcer la, cris- tallisation, dans d'autres cas, la cristallisation peut être mise en train sans agitation mécanique en raison du sernage produit sur la masse soit à partir de l'air, soit à partir des cristaux résiduels de tétraborate de sodium anhydre res- tant dans les moules, ou additionnés délibérément.
Lorsque la cristallisation est laissée s'amorcer soit par semage émanant de la masse, soit par semences délibérément addi- tionnées ou amenées autrement en contact avec la masse, une agitation suffisante pour produire la cristallisation com- plète de toute la masse est généralement assurée en raison de l'effet agitateur de l'eau finale venant de la masse qui est libérée au cours de l'opération de cristallisation et qui agite la masse en la dilatant.
Etant donné que la cristallisation du borax fondu a lieu au point de fusion ou près du point de fusion, on a constaté que l'opération de cristallisation est facilitée en maintenant le borate très près du point de fusion quand il passe dans les moules. On se trouve alors en présence d'une grande masse de matière fondue devant être cristallisée, laquelle matière est juste au point de fusion ou température de cristallisation. Une fois que la cristallisation commence, toute la, masse subit rapidement la cristallisation, tandis que si la matière est à une température trop élevée, lors- qu'elle passe dans les moules, la cristallisation peut être
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difficile à effectuer et dans certains cas il peut se former du verre de borax.
Après que la cristallisation est mise en train à l'in- térieur de la masse fondue, il se produit des cristaux de tétraborate de sodium anhydre et la cristallisation de la masse entière devient complète en moins d'une heure. On a constaté que ces cristaux de tétraborate de sodium anhydre sont hydrophobes, c'est-à-dire qu'ils ne tolèrent pas d'eau dans leur structure cristalline. En conséquence, lorsque la matière se cristallise, l'eau résiduelle de la masse fondue est libérée. Cette libération d'eau a pour action d'assurer la production désirée d'un borax anhydre cristallin friable.
Etant donné que la cristallisation a lieu à une tempé- rature relativement élevée (environ 7200 C) l'eau litérée à cette température doit être dans la phase vapeur, La li- bération de cette eau tend à remuer le ma@ma fondu cristal- lisant dans une mesure considérable et il en résulte la pro- duction d'un agrégat extrêmement friable. Cependant, les cris. taux de tétraborate de sodium anhydre ne sont aucunement poreux, mais au contraire ils contiennent une matière plus dense que le verre de borax correspondant. L'action de re- muage de l'eau libérée par la cristallisation du borax anhy- dre sert non seulement à l'action profitable prémentionnée, mais joue pareillement un rôle important pour assurer la cristallisation complète.
Si on essaie de cristalliser du borax en partant d'une masse fondue qui a été complètement deshydratée, non seulement il est difficile à la cristalli- sation de commencer, mais le produit comporte des grappes nattées de façon dense d'aiguilles très petites. Le dévelop- pement de ces cristaux est lent, de sorte que plusieurs
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heures sont occupées à leur formation. De plus, une grande partie de la masse reste sous forme de verre de borax après la terminaison de l'opération.
On a constaté que la cristallisation du tétraborate de sodium anhydre est plutôt fortement exothermique, Il en résulte que le magma fondu dans lequel la cristallisation peut commencer à 720 C ou au-dessous peut facilement être rnaintenu à l'état plastique jusqu'à ce que la cristallisa- tion ait été terminée. En empêchant des pertes excessives par rayonnement des moules ou appareils analogues, on ren- contre très peu de difficulté à empêcher entièrement la for- mation d'un produit vitreux, en assurant ainsi la cristal- lisation complète de la. masse entière.
Une explication du fait que l'opération de cristalli- sation que prévoit l'invention est si complète, tandis que d'autres procédés de cristallisation de tétraborate de so- diun anhydre produisent un produit cristallisé incomplètement peut être que l'eau présente dans la Tuasse soumise à la cris- tallisation tend à compenser la chaleur de cristallisation et à. maintenir la nasse subissant la cristallisation à la. température de cristallisation optima. Il semble que la cristallisation de la, masse s'effectue le mieux à une tem- pérature commençant à environ 720 C. S'il n'y avait pas d'eau dans la masse subissant la cristallisation, la chaleur de cristallisation élèverait la. température de la. masse ra- pidement au-dessus de cette température.
Lorsqu'il y a une eau résiduelle d'hydrata bien dans la masse subissant l'opé- ration de cristallisation, la chaleur de vaporisation de cette eau compense la chaleur de cristallisation et tend à maintenir- la température de cristallisation optima désirée.
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A peu près tout le borax du commerce contient des quan- tités plutôt minimes de matière organique qui, à moins qu'el- le ne soit complètement consommée, a pour effet de donner un produit foncé qui est plutôt déplaisant à la vue. Cepen- dant, par le procédé, objet de l'invention, on obtient un produit cristallin qui, de lui-même, masque très fortement la couleur foncée. Afin d'obtenir un produit de blancheur absolue à la température relativement basse utilisée dans ce procédé, on a trouvé vaantageux d'introduire avec la matière première entrant dans le four de fusion une petite quantité d'un agent oxydant convenable. On a trouvé à cet égard que l'une des matières les plus appropriées au point de vue de l'efficacité et du bon marché est le nitrate de sodium.
Le nitrate de sodium du commerce, additionné dans la proportion de 0,01 % à 0,10 %, est un agent excellent pour produire un borax anhydre cristallin blanc neige.
On a constaté que le produit cristallin obtenu est bien hygroscopique en ce sens que la surface d'une masse de cristaux absorbe lentement de l'eau et perd la nature cristalline des particules.
Bien que @@ mode de réalisation de l'invention décrit ici soit bien approprié à atteindre ses buts, diverses modi- fications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
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