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"Perfectionnements dans la fabrication de ciment et d'aluminate de métal alcalin à partir de matières contenant de l'oxyde d'aluminium et de l'acide silicique"
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Lorsqu'on produit de l'alumine en partant de beauxite, par décomposition au moyen de composes de réaction alcaline, on obtient des résidus constituant un sous-produit utile, alors qu'en pré-parant de l'alumine à partir de matières premières contenant de l'oxyde d'aluminium et une grande quantité d'acide silicique, on obtient des résidus qui consistent en majeure partie en acide silicique et qui n'ont presqu'aucune valeur, Ceci n'est pas sans influence sur le profit que peuvent donner des procédés dans lesquels l'alumine doit être produite à partir de matières premières riches en acide silicique,
d'autant plus que les silicates d'aluminium sont d'habitude moins riches en alumine que les beauxites, Le problème du profit dans la production de l'alumine à partir de matières premié- res riches en acide silicique est donc intimement lié au problème important de l'utilisation des résidus qui s'obtiennent pendant la décomposition. Ces résidus peuvent être utilisés d'une manière relativement avantageuse comme produits additionnels dans la fabrication du ciment. L'acide silicique résiduel obtenu dans la décomposition au moyen d'un acide avait donc déjà trouvé son emploi dans la production du ciment.
Sous ce rapport entrent plus spécialement en ligne de compte les résidus qui s'obtiennent par la décomposition alcaline de matières premières contenant de l'oxyde d'aluminium et de l'acide si.. licique, résidus ayant été obtenus soit au moyen de carbonate de so-
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dium et de carbonate de calcium, soit au moyen du carbonate de calcium- seul, parce que, en dehors de l'acide silicique, ils renferment encore de la chaux. On avait aussi déjà proposé de vendre ces rési-dus comme chaux poux engrais.
Dans tous ces cas, le résidu n'a pratiquement aucune valeur, attendu qu'il ne peut être utilisé dans les différentes industries que comme une sorte d'agent additionnel. Par exemple dans la fabrication du ciment il faut d'abord qu'il soit desséché, analysé et puis mélangé à d'autres matières premières et ensuite broyé en vue d'obtenir un mélange de départ pour ciment.
Conformément à la présente invention on a trouvé qne du ciment d'une part et de l'aluminate de métal alcalin d'autre part peuvent être obtenus d'une manière très simple et avec un nombre de phases opératoires très restreint, en partant de matières premières contenant de l'oxyde d'aluminium et de l'acide silicique, en mélangeant un matériel contenant de l'oxyde d'aluminium et du bioxyde de silicium dans une proportion de 1 mol de Al2O3pour environ 0,6-6, de préférence 1-4 mol, de SiO2, avec un composé de calcium fournis- sant de l'oxyde de calcium durant la calcination, dans une proportion de 1 mol de Al203 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 1 mol de SiO2 pour 1,8- 2,2 mol de CaO, en chauffant le mélange jusqu'à la température d'agglutination,
en lixiviant le produit calciné au moyen d'une solution
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aqueuse d'un sel de métal alcalin qui, par double décomposition, fournit un composé de calcium difficilement soluble, en séparant du résidu solide la solution d'aluminate de métal alcalin obtenue, en lavant le résidu avec de l'eau, en portant à la température d'agglutination le résidu solide lavé et en le broyant jusqu'à la finesse de ciment. Dans la plupart des cas les matières premières contiens nent des quantités plus ou moins grandes de composés de fer, et plus spécialement Fe203. Sur 1 mol de SiO2 il faut compter jusqu'à environ 0,3 mol de Fe203 et 1,8-2,2 mol de CaO pour chaque mol de Fe203.
Une méthode opératoire préférée est la suivante: La ou les matières premières sont finement broyées et mélangées avec un composé de calcium également très finement broyé, par exemple avec de la pierre calcaire. Le degré de finesse au broyage devrait être tel que le mélange porté sur un tamis de 4900 mailles par cm2 laisse un résidu inférieur à 25%.' La proportion du mélange est la suivante :
1 mol de A1203 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 1 mol de SiO2 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 1 mol de Fe203 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 0,6-6, de préférence 1-4, mol de SiO2pour 1 mol de A1203 et 1 mol de Si02 pour une quantité allant d'une trace jusqu'à 0,3 mol de Fe203. Si par la combinaison du silicate d'aluminium et du composé de calcium on n'arrive pas à former un tel mélange, il faut ajouter les ingrédients qui manquent, le cas échéant des matières premières riches en acide'
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silicique, comme par exemple du sable quartzeux, du flint,.
ou. des matières premières riches en alumine, comme par exemple la beauxite, la latérite, ou des matières premières riches en fer, comme par exemple la limonite, des pyrites grillées etc. Ceci fait, le mélange est porté à la température d'agglutination dans un appareil approprié, par exemple dans un four rotatif, de préférence après avoir été granulé.. La température requise pour le procédé d'agglu- tination est comprise entre environ 1200 et environ 1500 c et dépenden particulier de la composition des matières premières, et plus spécialement de la teneur en matériaux fondants tels que des alcalis, de l'oxyde de fer, des composés de magnésium etc. Le produit agglutina obtenu tend à se désagréger spontanément avec formation d'une poudre fine, lorsqu'il est exposé à l'air.
Un broyage ultérieur est superflu dans la plupart des cas, de sorte qu'on épargne beaucoup de frais si l'on tient compte de ce que le matériel calciné est généralement très dur.
La poudre, obtenue par désagrégation des morceaux agglutinés (clinker) ou le cas échéant par broyage, est ensuite li- xiviée avec la solution d'un sel àe métal alcalin dont le résidu acide forme ensemble avec le calcium du clinker un composé difficilement soluble, comme par exemple du sulfate ou de l'oxalate de sodium. A cet effet on utilise de préférence du carbonate de sodium.
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Par le traitement avec cette solution une quantité plus ou moins grande de l'alumine est dissoute sous forme d'aluminate de métal alcalin. La quantité de l'alumine dissoute dépend de la quantité d'alumine contenue dans le mélange des matières premières et en outre du genre du ciment que l'on a l'intention de produire à partir du résidu.
L'extraction de l'alumine est réglée en faisant agglutiner le matériel plus ou moins fortement, ce qui peut s'effectuer soit en réglant la durée du chauffage, soit en réglant le degré de la température, ou bien en opérant pendant la lixiviation avec des excès différents d'alcali ou avec des concentrations différentes.
Les températures d'agglutination peuvent varier entre environ 1200 et environ 1500 C, mais on applique de préférence des températures comprises entre 1250 et 1450 C; la durée du chauffage peut varier de quelques minutes à quelques heures. Lorsqu'on utilise un seul et même matériel de départ et on le fait agglutiner par exemple durant 5 minutes seulement à une température de 1300 C, on obtient un rendement de 50% d'alumine; si l'on chauffe à 1500 C durant 1 heure, on obtient un rendement de plus de 805; si 1.'on porte la température à 1400 C durant 10 minutes, on obtient un rendement de 95%.
Toutefois, ces chiffres diffèrent selon la nature de la matière première employée, Si dans la lixiviation on utilise une quantité croissante d'al-
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cali comparativement à l'alumine contenue dans le clinker, on obtient une augmentation du rendement, tandis qu'une concentration croissante, quoique comportant une augmentation de la teneur d'alumine dans la solution, donne lieu à une diminution du rendement. En lixiviant par exemple un clinker avec une teneur de 17,5% de Al2O3, à une température de 6000, avec une solution de Na2CO3 3,6 normale à contre-courant et avec un excès d'alcali tel que le clinker renfermé 1 mol de A1203 pour 2 mol de Na2O, on obtient un rendement en alumine de 83%.
Si le même clinker est traité de manière analogue, avec la seule différence qu'il ne renferme que 1,6 mol de Na2O pour 1 mol de A1203, le rendement sera de 70%. Si le clinker est lixivié avec un excès d'alcali tel qu'il renferme 1,5 mol de Na2O pour 1 mol de A1203 le rendement descendra à 62%. La température de lixiviation est comprise entre 0, et 10000 et influence le procédé dans ce sens seulement que, en augmentant la température, la lixiviation s'effectue plus rapidement. On a trouvé que le même résultat peut être obtenu si l'on opère durant 10 minutes à une température de 60 C et si l'on opère durant 1 heure à une température de 20 C.
La lixiviation du clinker se fait de préférence à contre-courant de manière à l'effectuer dans plusieurs phases et à filtrer chaque fois. La filtration a lieu dans d'excellentes condi- tions, contrairement à la filtration des résidus restant au cours de
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la décomposition alcaline de la beauxite. Le clinker est lavé à l'eau après avoir été lixivié pendant un temps suffisamment long pour que la teneur en alcali soit au-dessous de 1,5%.
Ceci fait, le résidu contenant environ 10-20 d'eau est immédiatement calciné dans un second four rotatif à une température comprise entre 1300 et 1500 C. Après avoir quitté le four le clinker ne tend pas à se désagréger, contrairement au matériel obtenu dans le premier traitement de calcination. Il est broyé pour former un ciment, le cas échéant avec addition de substances empêchant la prise, comme par exemple du gypse et du chlorure de calcium.
Les solutions d'aluminate, obtenues pendant la lixiviation du clinker, sont traitées à la manière usuelle en vue d'obtenir de l'alumine, de l'hydroxyde d'aluminium ou d'autres produits alumi- nifères. Les méthodes employées à cet effet ne diffèrent en aucune façon de celles appliquées dans le cas du traitement de solutions d'aluminate obtenues à partir de beauxite ou d'autres matières similaires,
Grâce à la méthode opératoire précédemment décrite on peut produire les ciments les plus divers en même temps que de l'aluminate de métal alcalin. Le genre de ciment que l'on entend produire dépend de la composition du mélange des matières premières ainsi que de la quantité d'alumine dissoute.
Au cas où l'on a l'intention de
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produire un ciment Portland, on choisira les proportions suivantes:
1 mol de Si.02 pour l,8-2p2 mol de CaO, 1 mol de Al2O3 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 1 mol de Fe2O3 pour 1,8-2,2 mol de CaO, 1 mol de A1203 pour 1-6 mol de SiO2 et 0,03-0,1 mol de Fe2O3 pour 1 mol de SiO2, et l'on lixiviera selon la teneur d'alumine du clinker entre 40 et 80% de l'alumine. A partir d'un clinker contenant 17% de Al2O3 on extrait 75% de l'alumine, et à partir d'un clinker contenant 13% de Al2O3 on extrait 70% de l'alumine.
Lorsqu'on veut produire un ciment ferreux, pauvre en alumine, on extrait la plus grande partie de l'alumine lixiviable, savoir jusqu'à 95% environ de l'alumine. La teneur en oxyde de fer dans le mélange calciné est dans ce cas à peu près la suivante : 0,17-0,1 mol de FeO pour 1 mol de SiO2.
Si l'on veut produire un ciment Ferrari, le mélange de départ aura la même composition que celui employé pour la fabrication du ciment Portland, mais le mélange de décomposition calciné est débarrassé d'une quantité d'alumine telle que dans le résidu lixivié et calciné la proportion des mol de Al2O3 par rapport à ceux de Fe2O3 soit égale à 1:1.
Il va de soi que par une modification adéquate des conditions, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, on est en mesure de produire encore d'autres types de ciment.
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En opérant conformément à la méthode précédemment décrite, on obtient des ciments qui, quant à leur teneur en Al2O3, Fe2 O3, SiO2 et CaO, répondent aux exigences ordinairement requises. Les ciments peuvent naturellement aussi contenir d'autres ingrédients, comme par exemple MgO, TiO2, SO3, des alcalis, et cela en quantités correspondant aux règles générales.
Un résidu porté dans le four et consistant en composants déjà finement divisés et désagrégés au plus haut degré, se prête beaucoup mieux à la production d'un ciment de valeur qu'un mélange de matières premières composé par exemple de chaux, de marne et d'argile.
Contrairement aux procédés employés jusqu'à présent pour la production d'alumine à partir de silicates d'aluminium, le procédé de l'invention présente d'abord l'avantage d'une utilisation complète de tout le matériel employé, sans aucune perte de matière, et puis celui que l'excès d'acide silicique s'obtient directement sous une forme relativement profitable, c'est-à-dire comme ciment. Grâce à cela, on épargne non seulement beaucoup d'opérations qui seraient inévitables si le résidu avait été utilisé comme agent additionnel pour la fabrication de ciment, mais on rend en même temps plus profitable un procédé de production d'alumine combiné avec la production de ciment.
Contrairement aux procédés pour la production d'alumine à partir de silicates d'aluminium au moyen d'un acide, le procédé de
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la présente invention comporte l'avantage de rendre possible le traitement de matériaux divers, tandis qu'en opérant conformément au procédé utilisant un acide, le traitement ultérieur est limité à l'argile riche en kaolin. Conformément à la présente invention on peut aussi traiter de l'argile schisteuse, des cendres et des sco- ries riches en aluminium.
Il est surtout avantageux d'utiliser des matières premières contenant déjà une partie notable de la chaux requise comme agent additionnel, comme par exemple des scories ou des matières ferrugineuses contenant des alcalis, attendu que la perte d'alcali se produisant pendant l'extraction peut être compensée en- tièrement ou en partie par la teneur d'alcali dans la matière pre- mière.
Les exemples qui suivent illustrent la présente invention sans toutefois la limiter; les parties y mentionnées se rapportent aux poids.
Exemple 1.
100 parties, d'une argile de la composition uivante: 45,1% de SiO2, 37,5% de Al2O3, 1,5% de Fe2O3 et 14,6% de substances se perdant à l'ignition, sont mélangées avec 225 parties de pierre calcaire et 4,2 parties d'oxyde de fer (sous forme de pyrites gril- lées). Les matières de départ sont dans leur totalité soumises à un broyage tel que le résidu qui reste sur un tamis avec 4900 mailles
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par cm2 soit entre 5 et 10%.
La masse de réaction est transformée en grains et cal-. cinée dans un four rotatif à 1350 0 pendant 10 minutes environ. En quittant le four, le clinker obtenu présente la composition suivante:
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20,8% de Si02, 17,µb de A1203e 2,6% de Fe203 , 58, de CaO. Lorsque ce clinker est refroidi à l'air, il se désagrège spontanément en formant une poudre très fine. Cette poudre est lixiviée à contre- courant avec une solution de carbonate de sodium 3,6 normale, à une température de 60 C.
La quantité de la solution est calculée de manière à ce que 1 mol de Al2O3 dans le clinker corresponde à 1,6mol de Na2O dans la solution. On rajoute ultérieurement la quantité de solution ayant été retenue par le résidu de filtration, c'est-à-dire pour 100 gr de clinker environ 100 cm3 de la solution. Dans ces conditions sont extraits 75% de l'alumine du clinker. La solution d'aluminate est traitée ultérieurement à la manière usuelle. Le résidu est lavé à l'eau et puis calciné dans un second four rotatif à des températures comprises entre environ 1.350 et environ 1450 C.
Il se forme un clinker de ciment ayant la composition suivante: 23,6% de
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8i02, 4,9% de A1203, 3,0% de Fe 0 , 66,0% de CaO, 0,8 d'alcali, et qui est broyé à la finesse de ciment en ajoutant 3% de gypse. Le ci- ment Portland ainsi obtenu a été examiné d'après les normes générales et présentait les caractéristiques suivantes:
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<tb> 28 <SEP> jours <SEP>
<tb>
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-près 3 io 7 ours ¯ea.u¯¯magasinage¯opmbe¯ résistance à la rès 'Ol1rS kq:s ¯au ¯ma ¯sinag¯c¯9.!llJ:1i bzz.
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<tb>
<tb> compression <SEP> en <SEP> 210 <SEP> 305 <SEP> 493 <SEP> 503
<tb> kg <SEP> par <SEP> cm2
<tb> résistance <SEP> à <SEP> la
<tb> traction <SEP> en <SEP> kg <SEP> 24,2 <SEP> 30,5 <SEP> 39,3 <SEP> 3918
<tb> 2
<tb> par <SEP> cm
<tb>
Exemple 2.
100 parties de schiste houiller, obtenu comme sous-pro- duit dans le lavage de houille, ayant la composition suivante: 36,1%
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de SiO2 ; 0,7% de Ti02, 22, Ola de A1203 , 3,7% de Fe203, l, 6% de CaO, 1,3% de Mdgo, 4,7% d'alcali et 29,8% de substances se perdant à l'ignition sont mélangées avec 177 parties de pierre calcaire et 1,7 parties d'oxyde de fer (pyrite grillée).. Le degré de finesse au broyage devra être tel que le résidu, sur un tamis avec 4-900' mailles
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par cm2 ne s'élève qu' à 5-1.0o.
Le mélange est granulé et porté à la température d'ag- glutination dans 'un four rotatif, c'est-à-dire à la température de 1350 0, mais il ne restera que-10 minutes environ dans la zone chau- de du four. En quittant le four, le olinker présente la composition
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suivante: 21,1% de Si02, 0,4% de Ti02, 12,9% de Al 0 , 3.2% de Fe 588% de CaO, 0,8% de MgO, 1,7% d'alcalis, Au refroidissement à l'air il se désagrège spontanément en formant une poudre très fine. Cette poudre est mélangée avec une solution de carbonate de sodium 3,6 fois
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normale à 60 C.
La quantité de la solution est choisie de manière que 1,6 mol de Na2O dans la solution correspondent à 1 mol de A1203 dans le clinker, Le clinker est lavé à l'eau chaude. Dans ces conditions sont dissous 70% de l'alumine du clinker.
Tandis que les solutions sont traitées ultérieurement en vue d'obtenir l'alumine, le résidu lavé est porté dans un autre four rotatif et agglutiné à des températures comprises entre environ 1350 et 1450 C. On obtient ainsi un clinker de ciment ayant la composition suivante: 23,4% de SiO2, 0,4% de TiO2, 4,3% de Al2O3, 3,6 de Fe2O3, 65,5% de CaO, 0,8% de MgO, 1,0% d'alcali, et qui est broyé ensemble avec 3% de gypse à la finesse de ciment. Le ciment Portland ainsi obtenu possède une résistance à la pression et à la traction similaire à celle du ciment produit l'exemple 1.
Exemple 3.
100 parties d'argile de la composition: 45,1% de SiO2, 37,5% de Al2O3, 1,5% de Fe2O3, 14,6% de substances se perdant à l'ignition sont mélangées avec 275 parties de pierre calcaire, 120 parties d'oxyde de fer (pyrite grillée) et 23,4 parties de beauxite de la composition suivante: 5,1% de SiO2, 57,6% de A1203, 21,8% de Fe2O3, 0,9% de TiO2. Le degré de finesse au broyage doit être tel que le résidu sur un tamis avec 4900 mailles par cm2soit de 5 à 10%.
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Le mélange est calciné dans un four rotatif à une température de 1300 C environ durant 10 minutes environ. Le matériel agglutiné présente la composition suivante: 17,0% de SiO2, 0,2f de TiO2, 18,7% de A1203, 6,8% de Fe2O3, 56,5% de CaO. Il est lixi.vié à la manière décrite à l'exemple 1, et on extrait ainsi 78% de l'alumine présente. Le résidu est porté dans un autre four rotatif et cal- ciné à une température comprise entre 1350 et 1450 C. Le ciment ob- tenu a la composition suivante: 19,9% de SiO2, 0,2% de TiO2, 4,9% de Al2O3,8,0% de Fe203, 66,1% de CaO et 'est analogue au ciment dit "Ferrari" qui, par comparaison au ciment Portland, se distingue par une plus grande résistance à l'eau salée.
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