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Procédé et appareil perfectionnés pour l'extraction du magnésium et autres métaux analogues de leurs mine- rais et composés.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil perfectionnés pour l'extraction du magnésium et d'autres métaux analogues qui subliment, de leurs minerais et composés. Dans la description qui suit, l'expression "mi- nerai de magnésium" doit être prise dans le sens de minerais et de composés des métaux magnésium, glucinium, calcium, stron- tium et baryum, compris dans le groupe II du tableau périodi- que et ne comprend que des minerais ou dés composés qui peuvent ' être réduits par chauffage avec un agent réducteur et l'expres- sion "magnésium et métaux analogues qui subliment" vise le magnésium, le glucinium, le calcium, le strontium et le baryum.
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La réduction du magnésium par traitement de ses mi- nerais ou composés par un agent réducteur a été exécutée en présence d'un gaz inerte ou sous un vide poussé afin d'éviter l'oxydation du métal réduit. Lorsque la réaction est exécutée, dans. une atmosphère de gaz inerte, la mise en oeuvre du procédé devient coûteuse principalement en raison des frais qu'occa- sionnent le maintien de l'atmosphère gazeuse inerte et de la période comparativement longue nécessaire pour le traitement.
Dans les procédés connus, dans lesquels la réaction est exécu- tée sous le vide, la difficulté principale a été de maintenir la pression réduit e, avec des frais raisonables tout en tenant compte de la température élevée de réduction (supérieure au point d'ébullition dumagnésium), pendant un temps suffisamment long pour obtenir une quantité assez considérable de magnésium métallique. D'une manière toute particulière, dans les procédés connus, les dispositifs de chauffage des substances soumises à la réaction pour être réduites, n'ont pas été satisfaisants et ils ont généralement conduit à la liquéfaction de la charge, ce qui nuit à la possibilité d'obtenir une extraction apprécia- ble des vapeurs de magnésium.
La possibilité de produire du magnésium à l'échelle industrielle est commandée par un certain nombre de facteurs. un de ces facteurs des plus importants est la réalisation et le maintien d'une atmosphère dans laquelle, lorsque la réduc- tion du minerai de magnésium est'exécutée à des températures supérieures au point d'ébullition du rnagnésium métallique, il ne se produise pas de réaction dans le sens inverse entre la vapeur de magnésium et des gaz quelconques qui peuvent être pré- sents. un autre facteur de la production est l'allure à laquelle le procédé peut être mis en oeuvre ;
on peut éviter la li- quéfaction du minerai et de l'agent de réduction, le magnésium métallique à l'état de vapeurs peut se dégager librement. un au- tre facteur important est que le rendement thermique de l'opéra-
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tion de réduction doit être aussi élevé,-que possible pour ob- tenir un bon rendement avec des frais peu élevés et, particu- lièrement dans un procédé de sublimation, l'extraction du métal condense peut être accélérée en maintenant une partie de l'appa- reil (celle où le magnésium est réduit), à une température éle- vée, et l'autre partie de l'appareil (où l'on désire condenser la substance) à une température relativement basse, de sorte que la chute de température entre le mélange chauffé et le métal condensé soit aussi grande que possible.
L'invention a donc encore pour objet un procédé pos- sédant les facteurs désirables précités pour la production et qui, en particulier, emploie pour le mélange soumis à la réac- tion un moyen de chauffage qui n'engendre pas lui-même des produits de combustion indésirables et qui n'a pas pour résultat la li- quéfaction du mélange soumis à la réaction.
L'invention vise en outre l'obtention d'un rendement thermique élevé du procédé par le chauffage du minerai métalli- fère en le mélangeant avec un agent de réduction qu'onpeut chauf- fer aumoyen de -courants induits de manière qu'une chaleur uni- forme soit produite rapidement dans toute la charge.
Conformément à l'invention, on crée des. conditions favorables pour l'opération de sublimation du fait que le chauf- fage du mélange soumis à la réaction est exécuté par des cou- rants induits dans le,mélange même et comme l'atmosphère au-des- sus du mélange est raréfié il est possible de placer une surface relativement froide très près de la charge qu'on chauffe et de maintenir cette surface froide parce que la chaleur propagée jusqu'à la surface de condensation est peu importante. La chute de température relativement considérable entre la surface de condensation et le mélange chauffé soumis à la réaction accélère la sublimation du métal à extraire.
L'invention a également pour objet un procédé continu en ce sens que la surface froide sur laquelle la vapeur métalli-
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que distillée se dépose par sublimation peut être immédiatement enlevée lorsque la charge est épuisée (pour fondre le métal con- densé sur la dite surface) , et une nouvelle surface froide ou un nouveau condenseur peut être placé au-dessus de l'entrée du creu- set dans lequel l'opération de fusion est exécutée.
L'expression "haute fréquence" est appliquée générale-' ment à des fréquences de l'ordre de 10. 000 cycles par seconde ; toutefois, dans cette description, cette expression s'applique à des fréquences qui ne sont pas inférieures à 50. 000 cycles par seconde.
L'expression "pression de dissociation" est appliquée généralement à des solides qui, lorsqu'on les chauffe, se disso- cient, en formant un autre solide et un gaz et elle indique la' pression maxima à laquelle la dissociation du solide peut avoir lieu à une température donnée quelconque. En ce qui concerne la présente invention, la vapeur métallique étant produite à par- tir du minerai ou du composé de magnésium et la vapeur métallique produisant toujours une réaction en sens inverse avec les gaz engendrés au cours de l'opération de réduction, l'expression "pression de dissociation" est employée dans le présent mémoire pour indiquer la pression régnant dans la chambre dans laquelle l'opération de réduction est exécutée, pression qui ne doit pas être dépassée pour que le procédé soit mis en oeuvre avec succès.
C'est ainsi par exemple que lorsque l'oxyde de magnésium est ré- duit par un agent réducteur carboné, la pression à l'intérieur de la chambre de réaction doit être inférieure à la pression de dis- sociation de l'oxyde de magnésium parce que sinon la vapeur mé- tallique réduirait l'oxyde de'carbone présent avec formation de carbone et de l'oxyde de magnésium serait formé de nouveau.
Pour ce motif, il est clair que le degré de vide (ou pression négati- ve) approprié qui doit être maintenu dans la chambre de réac- tion varie suivant le minerai ou le composé à partir duquel le métal est obtenu par réduction, Toutefois, dans la pratique réel-
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le., la pression est facilement déterminée car, lorsqu'elle est dépassée dans la chambre de réaction, une multitude de petits points lumineux apparaissent indiquant la recombinaison de la vapeur métallique et des éléments gazeux présents, cette re- combinaison pouvant être sensiblement supprimée par augmenta- tion du degré de vide régnant dans la chambre de réaction et la suppression de cette réaction montrant que l'atmosphère à l'intérieur de la chambre de réaction se trouve au-dessous de la pression de dissociation.
Les agents réducteurs bons conducteurs de l'électricité employés de préférence sont ; des composés carbonés tels que le carbone sous forme de graphite, le silicium, l'aluminium , le calcium ou des alliages de ces éléments ; l'agent réducteur non conducteur de l'électricité, utilisé de préférence, est un carbure.
On 'décrira maintenant une forme d'appareil appropriée pour la mise en oeuvre du présent procédé en se référant au dessin schématique annexé qui est une coupe en élévation d'une forme'de four à haute fréquence et d'un condensateur-collecteur pour le magnésium.
Me four à haute fréquence est d'un type bien connu com- portant un récipient en acier 10 pourvu d'un écran interne 11, en cuivre et de bandes externes de renforcement 12. L'enroule- ment est désigné par 13; il possède des bornes 14. Le revête- ment réfractaire 15 du four est supporté par des blocs isolés 16 et 17 et sa surface externe est refroidie par de l'eau cir- culant à travers l'enroulement 13 grâce aux conduits d'entrée et de sortie 36 et 37.
Le condenseur collecteur 19 affecte la forme d'un dôme renversé pourvu d'une virole 24 qui descend et qui s'étend jusque dans le voisinage du revêtement du four et sert à di- riger les vapeurs vers la surface intérieure supérieure et plus
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froide du dôme. L'extérieur de ce dôme est refroidi par de l'eau circulant par un serpentin de cuivre 25 qui peut servir également d'enroulement à haute fréquence pour fondre le ma- gnésium qui s'est condensé sur le dôme. La partie intérieure et inférieure du dôme peut présenter un canal interne 20 (re- présenté en trait mixte) dont la sortie est commandée par un robinet 21 et ce canal pourrait servir pour recueillir le ma- gnésium fondu in situ sur le dôme et pour lui permettre de s'é- couler à partir de ce canal dans des moules à lingots.
Le som- met du dôme est pourvu d'un orifice de succion 22 relié à une pompe à air 26 destinée à faire le vide.
Le dôme qui présente la forme indiquée en trait plein peut être relié, par des raccords démontables 23, refroidis à l'eau, au four à haute fréquence. Le but de cette organisation est de permettre l'enlèvement du dôme avec le magnésium qui s'y est condensé pour fondre ce dernier et d'employer un dôme de rechange pour une nouvelle charge du four. On peut laisser l'eau de refroidissement couler sur les raccords, se rassembler dans l'auge 27 et s'écouler de là dans un puisard.
Lorsque l'appareil fonctionne d'une manière continue, c'est à dire lors- que le condenseur-collecteur 19 est enlevé après chaque charge et remplacé par un autre collecteur de construction semblable pour condenser une nouvelle charge, on n'emplo pas le serpen- tin 25 pour fondre in situ la charge condensée ; opération de fusion est exécutée séparément.
La génératrice de courant alternatif à haute fréquence utilisée pour les fours à induction est un appareil bien connu.
La génératrice qui alimente l'enroulement 13 est indiquée d'une façon schématique en 28 et est une génératrice bien connue à soupape thermoionique. Les conducteurs d'alimentation sont dé- signés par 29 et les conducteurs 30 partant de la génératrice sont reliés aux bornes 14 de l'enroulement 13. Une génératrice
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analogue peut-être reliée au serpentin 25 et cette génératrice est désignée par 32, les conducteurs 33 fournissant l'énergie nécessaire au serpentin 25.
Dans l'emploi de l'appareil décrit ci-dessus, du minera., dolomite ou magnésite, est mélangé avec du coke et chargé à l'in- térieur du revêtement 15. La partie constituant le condenseur
19 est adaptée et rendue étanche par des moyens appropriés tels que les boulons 39 et les écrous 40. Ensuite, au moyen de la pompe à air, on évacue l'air et le gaz de la chambre à réaction, formée lorsque le condenseur est monté en place, jusqu'à une va- leur inférieure à la pression de dissociation du composé de ma- gnésium traité. On fait osciller la soupape '01 haute fréquence pour produire le courant à la fréquence désirée, qui est de l'ordre de 500.000 cycles par seconde et la température de l'a- gent de réduction carboné s'élève presque immédiatement.
La chaleur engendrée dans le carbone est localisée et se trouve en contact intime avec le mènerai à réduire, grâce à quoi un rendement thermique élevé est réalisé pour la réaction. Les gaz produits initialement par l'application de la chaleur c'est à dire lorsque le coke est chauffé au rouge, varient suivant le minerai employé, mais avec la magnésite les gaz principaux sont l'oxyde de carbone et la vapeur d'eau ; sont rapi- dement éliminés par la pompe aspirante et la température de la charge s'élève à 1100 C environ, température supérieure au point d'ébullition du magnésium sous la pression réduite ré- gnant dans la chambrede réaction,le point d'ébullition du ma- ' gnésium étant de 1120 C à la pression ordinaire.
Au lieu de mélanger le minerai avec du coke, on peut mélanger avec du carbure de calcium qui, étant un mauvais conducteur de l'élec- tricité, n'est'pas susceptible d'être chauffé dans le champ magnétique à haute fréquence du four. Pour ce motif, on charge dans ce cas l'agent réducteur et le minerai dans un dispositif de transmission constitué par un creuset distinct (par exemple
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le creuset 38) fait en carbone graphitique et la chaleur engen- drée àans ce creuset est transmise au mélange soumis à la réac- tion, pour réduire le minerai. Le magnésium métallique résultant de la réduction du minerai distille, et la vapeur s'élève pour venir en contact avec la surface froide du condenseur-collecteur 19 et est condensée sur la surface interne de celui-ci.
Le dis- tillat peut en être enlevé par fusion et coulé dans des moules lingots. On remarquera qu'avec la localisation de la chaleur engendrée , dans la charge et le condenseur collecteur relative- ment froid auxquels on a recours pour la sublimation de la va- peur métallique, l'opération de sublimation est accélérée par la chute de température considérable entre le four et le con- dnseur-collecteur.
La pression barométrique de l'atmosphère dans la cham- bre de réaction ne peut pas s'élever au-dessus de 2 mm. (pour les agents de réduction et les minerais employés ; le coke ou le carbure de calcium et la dolomite ou la magnésite), sinon la vapeur de magnésium ne se condenserait pas, mais au contrairen, .la vapeur produirait du carbone par réduction de l'oxyde de carbone et il se formerait de l'oxyde de magnésium.
Il est bien entendu qu'il n'y a pas d'inconvénient à maintenir un vide beaucoup plus poussé, et, dans certains cas, cela constitue un avantage marqué ; mais le vide ne doit pas Être tellement éle- vé, compte tenu de la fréquence d'induction,qu'il se produise une décharge lumineuse dans la vapeur métallique au-dessus de l'entrée du creuset, sinon l'énergie fournie au four serait dissipée par cette décharge lumineuse sans chauffer le mélange soumis à la réaction.
Pour montrer comment un tel procédé peut être mis en oeuvre, on donnera maintenant dans ce qui suit des exemples d'application du procédé, Exemple 1.
12 parties en poids de coke et 39 parties en poids de magnésite (93% de MgO dans la magnésite cuite à mort) ont été
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mélangées ensemble, 8 parties en poids de coke et 39 parties en poids de magnésite ayant été broyées et mélangées intimement, tandis que 4 parties en poids de coke ont été ajoutées sous for- me de morceaux ayant environ 1 1/2 pouce de diamètre.
Le tout a été introduit dans le récipient ou creuset ; l'enveloppe a été fermée et rendue étanche d'unemanière appropriée. Le vide a été fait dans l'ensemble au moyen de la pompe à air jusqu'à ce que .le 'baromètre descendît à 0,01 mm. On a fait osciller la soupape à haute fréquence et, au bout de quelques minutes, lorsque la température avait atteint le rouge, la vapeur de magnésium a commence à distiller. A 1200 C la distillation du magnésium a cessé et on arrecueilli 20 parties en poids de cristaux de magnésium dans le condenseur.
Exemple 11.
Dans un autre essai dans lequel du ferro-silicium a été employé comme agent réducteur au lieu de coke, 78 parties en poids de magnésite (à 93 % de MgO) et 64 parties en poids . deferro-silicium -(à 72% de Si) ont été mélangées ensemble, 52 parties en poids de férro-silicium et 78 parties en poids de magnésite étant broyées et mélangées intimement, tandis que
12 parties en poids du ferro-silicium étaient ajoutées sous forme de fragments de 3/4 de pouce environ de diamètre. Ces matières ont été introduites dans le récipient ou creuset et l'enveloppe a été fermée hermétiquement. On a fait le vide dans l'enveloppe au moyen d'une pompe à airjusqu'à ce que la pres- sion indiquée au baromètre fût de 0,01 mm.
On a fait osciller la soupape à haute fréquence et en quelques minutes, lorsque la température atteignit le rouge, des vapeurs de magnésium ont commencé à distiller ; à 1200 C environ, le magnésium a cessé de distiller et on a recueilli 41,8 parties de cristaux de ma- gnésium dans le condenseur, une boule de ferro-silicium conte- nant environ 18% de silicium et 82 % de fer restait dans le ré- cipient avec la charge, qui était épuisée.
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Les exemples qui viennent dfre décrits sont donnés à titre d'illustration de la façon de mettre en oeuvre le procédé objet de l'invention.