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Procédé de fabrication de métaux neufs à partir de mitrailles.
La présente invention est relative à un procédé de fabrication de métaux neufs à partir d'une charge de mitrail- les légères dans lequel on utilise la chaleur dégagée par une réaction exothermique entre une partie de ces mitrailles et certains gaz pour faire fondre la charge.
Dans la présent brevet, par "métaux", il faut comprendre non seulement les métaux purs mais également les alliages.
Pour fabriquer des métaux ou alliages neufs à partir de vieux métaux, de mitrailles ou de déchets de composition appropriée, on fond généralement la charge de mitrailles et on la soumet ensuite à certains traitements métallurgiques ayant pour but d'épurer le métal ou l'alliage fondu et de lui donner la composition chimique désirée. La fusion et les traitements métallurgiques ultérieurs nécessi- tent une grande quantité de chaleur, qui est fournie de différentes façons suivant les procédés employés.
Certains procédés utilisent le chauffage électri-
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que, d'autres utilisent la chaleur dégagée par la combustion de charbon, de coke, de charbon de bois, d'hydrocarbures liquides ou gazeux, de gaz combustibles divers.
La chaleur fournie doit être peu coûteuse car le rendement de sa transmission du milieu chauffant au métal à fondre est généralement faible, et d'autre part, les fours métallurgiques, travaillant à haute température, perdent de la chaleur en quantité d'autant plus importante que la durée de la fusion est plus longue.
La présente invention consiste à utiliser dans des conditions particulières, comme source de chaleur pour la fusion et les opérations métallurgiques ultérieures, la réaction exothermique d'un gaz approprié avec une fraction de la charge.
On connaît de nombreuses réactions exothermiques entre gaz et métaux, notamment les réactions d'oxydation, mais ces réactions n'ont jamais été utilisées comme sources principales de chaleur pour la fusion complète et pour les traitements métallurgiques ultérieurs, dans la fabrication des métaux. Tout au plus, a-t-on proposé d'utiliser la chaleur d'oxydation du fer pour griller et fondre partiel- lement des copeaux d'acier dans un four de grillage, le produit obtenu étant un agglomérat de copeaux non fondus, de fer fondu et d'oxydes de fer. Cet agglomérat, refroidi à l'eau, était destiné à être chargé au haut fourneau dans des conditions plus faciles que les copeatix très encom- brants, qui peuvent difficilement être chargés tels quels dans ce fourneau.
On peut expliquer qu'on n'a pas utilisé la chaleur provenant de réactions exothermiques entre les métaux et des gaz pour fabriquer ces métaux par le fait que le char- bon et le coke sont moins coûteux que les métaux et que la quantité de chaleur dégagée par les réactions d'oxydation
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des métaux est généralement moindre que celle dégagée par- la combustion d'un même poids de charbon ou de coke.
Pour que l'utilisation de la chaleur dégagée au cours de réactions exothermiques entre gaz et métaux puisse être envisagée en pratique, il faudrait que la vitesse réac- tionnelle soit très grande, que le rendement de la transmis- sion de la chaleur aux métaux soit très grand et que la totalité de la chaleur nécessaire à la fusion et aux trai- tements ultérieurs soit fournie en un temps très court.
Le faible pouvoir calorifique des métaux serait ainsi compensé par une diminution des pertes calorifiques due à une meilleure transmission de la chaleur et à une réduction de la durée de fusion.
Pour obtenir une vitesse de réaction élevée et une transmission rapide de la chaleur, il faut que les mitrailles présentent, par unité de poids, une grande surface de contact avec les gaz. La charge doit donc être constituée essentiellement, pour un métal donné, par des mitrailles légères, c'est-à-dire par des limailles, des tournures de tours, des copeaux, des déchets de fils ou de tôles fines ou d'autres déchets de ce genre.
Suivant l'invention, on fournit tout au moins une grande partie de la chaleur nécessaire à la fusion complète de la charge de mitrailles et à son traitement métallurgi- que ultérieur en provoquant une réaction exothermique entre une partie de la charge et un gaz, telle que son produit àoit formé à l'état liquide, ce produit ayant une tempéra- ture de fusion tout au plus égale à celle du métal à fondre.
Par le fait que le produit de la réaction est formé à l'état liquide, cette réfaction se poursuit rapide- ment. En effet, contrairement à un produit de réaction solide qui ralentit la réaction en créant à la surface des mitrailles un écran peu perméable au gaze un produit de
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réaction liquide dissout facilement à la fois le gaz réac- tionnel et le métal liquide et permet à la réaction de se poursuivre rapidement.
Par le fait que la température de fusion du pro- duit de la réaction est égale ou inférieure à celle du métal à fondre, le métal fondu de chaque élément de mi- traille ne reste pas emprisonné dans une gaine solide de produits de réaction. Au contraire, il s'unit facilement au métal fondu des éléments de mitraille voisins avec le- quel il forme rapidement une masse qui ruisselle à travers toute la charge en même temps que le produit de réaction liquide, ce qui transmet rapidement la chaleur à toute la charge et y propage la réaction.
Dans le cas où le procédé suivant l'invention est employé pour la fabrication de fer, on opère avantageuse- ment comme suit : on chauffe au rouge une petite partie de la charge de mitrailles de fer située à la partie supérieu- re de cette charge et on envoie de l'oxygène sur le métal chauffé, dans des conditions telles que l'oxyde de fer et le fer liquide formés ruissellent à travers toute la charge et y propagent rapidement la réaction en présence de l'o- xygène.
Eventuellement, on peut utiliser une charge de mitrailles dont une partie est constituée par des mitrail- les plus lourdes dans une proportion telle que l'ensemble de la charge puisse être traitée sous l'effet de la chaleur dégagée par l'oxydation des mitrailles légères.
D'autres particularités et détails du procédé suivant l'invention apparaîtront ci-après en se référant au dessin annexé au présent mémoire, qui représente sohéma- tiquement, en coupe verticale, et à titre d'exemple seule- ment, un four convenant pour la réalisation du procédé suivant l'invention.
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Ce four comprend une cuve cylindrique 2 en tôle d'acier, soutenue par une armature en profilés 3. La cuve 2 est garnie intérieurement d'un épais revêtement réfractaire 4 dans lequel est .ménagé un bassin de fusion 5. Ce bassin a, par exemple, environ 1 mètre de diamètre et 20 centimètres de profondeur. Il est surmonté d'un fût légèrement tronconique sur lequel repose un couvercle amovible 6. Celui-ci est équipé de conduites d'arrivée d'oxygène dont l'une, 7, est de grande section et les deux autres, 8, de faible section. Ces conduites sont équipées de robinets désignés respectivement par 9 et par 10. Elles aboutissent à un réservoir commun, non représenté, contenant de l'oxygène industriel à une pres- sion supérieure à la pression atmosphérique.
Cet oxygène industriel doit être considéré dans le présent.brevet . comme de l'oxygène pur, par opposition à de l'oxygène, tel que l'oxygène atmosphérique, qui serait mélangé à une .quantité notable d'autres gaz.
Dans le revêtement réfractaire, est ménagée une cheminée II, normalement obturée par un léger clapet 12 pivotant en 13. Un trou de coulée 14, pouvant être obturé par un bouchon 15, est prévu à la base du bassin 5 pour l'évacuation du métal fondu. Un autre trou de coulée 16, pouvant être obturé par un bouchon 17, est prévu à la partie supérieure de ce bassin pour l'évacuation du laitier.
Un regard 18, normalement obturé par un clapet 19, pivotant en 20, est également ménagé dans le revêtement réfractaire, à la partie supérieure de celui-ci. Enfin, le four est équipé d'un manomètre 21.
Supposons que ce four soit rempli d'une charge de I.350 kilogs de mitrailles légères d'acier, telles que des tournures de tours, des copeaux d'autres machines outils, des limailles, des déchets de fils ou de tôles fines, et / ,
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que le couvercle 6 soit mis en place. pour réaliser le procédé suivant l'invention, on ouvre un instant le robinet 9 contrôlant l'arrivée princi- pale d'oxygène. Cette arrivée d'oxygène a comme effet de purger le four de l'air qu'il contient. Cet air peut s'é- chapper par la cheminée 11 en soulevant le clapet 12. On soulève ensuite le clapet 19 et on introduit par le regard 18. par exemple, un chalumeau-soudeur afin de chauffer, en 22, une petite masse de mitrailles d'environ 300 gram- mes.
Ce chauffage est effectué jusqu'au moment où cette masse est portée à la température du rouge vif.
Lorsque cette température est atteinte, on oxyde cette masse à l'aide d'oxygène fourni par le chalumeau et on étend l'oxydation ainsi amorcée, aux masses voisines de la partie supérieure de la charge en ouvrant les robi- nets 10 des conduites d'amenée d'oxygène B. En conduisant habilement cette opération, on pet oxyder tout le haut de la charge et provoquer un commencement de fusion en très peu de temps, par exemple en environ une minute.
Les conditions dans lesquelles l'oxydation des mitrailles légères est déclenchée sont telles que l'oxyde de fer soit formé à l'état liquide. Cet oxyde de fer a un point de fusion inférieur au point de fusion de l'acier.
Par conséquent, dès sa formation, il ruisselle vers le bas accompagné de fer fondu et y propage la réaction.
Pour que celle-ci continue à se produire rapide- ment et dans les mêmes conditions que celles qui viennent d'être indiquées, on referme le clapet 19 et on ouvre pro- gressivement le robinet 9 qui contrôle l'arrivée principale d'oxygène par la conduite 7.
Les robinets 9 et 10 sont maintenus ouverts dans une position pour laquelle l'intérieur du four est en légère surpression par rapport à l'extérieur. Cette surpression est
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mesurée par le manomètre 21, Un léger excès d'oxygène ainsi que des gaz provenant de la combustion d'impuretés des mi- trailles peuvent s'échapper par la cheminée 11 en soulevant le clapet 12. L'oxydation s'étend ainsi rapidement à toute la masse de mitrailles qui fond progressivement en s'écou- lant vers le bas de la cuve. Au bout de quelques minutes,la fusion de la charge complète est terminée et le bassin 5 est rempli d'environ 1.000 kgs de fer fondu, approximative- ment jusqu'au niveau 23. Ce fer fondu est surmonté d'environ 480 kgs d'oxyde de fer liquide, approximativement jusqu'au niveau 24.
A ce moment, par suite de la réduction de la sur- face de réaction, la consommation d'oxygène diminue. Une quantité plus importante d'oxygène s'échappe par la cheminée 11. On ferme alors les robinets 9 et 10. La consommation d'oxygène a été d'environ 110 mètres cubes.
Après quelques minutes de décantation, on dispose d'un bain de fer liquide, contenant en suspension de fins globules de FeO (la teneur en FeO du bain est de 0,3 à 0,5%) surmonté d'un laitier d'oxyde de fer liquide.
On peut soutirer ce laitier par le trou de coulée 16. Ce laitier constitue alors un sous-produit de la fabrica- tion.
Le fer restant dans la cuve peut être dés oxydé dans celle-ci par un procédé quelconque. Il peut aussi être déversé dans un four Martin ou dans un four électrique,ou dans une poche de coulée afin d'y être désoxydé et, éven- tuellement, allié. On peut aussi désoxyder ce fer liquide en y mélangeant une quantité appropriée de fonte brute liquide, par exemple de la fonte Bessemer ou de la fonte Thomas.
L'oxyde de fer qui se sépare du fer liquide par décantation peut aussi servir à affiner une grande quantité
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de fonte brute liquide. :L'affinage de fonte Thomas liquide par l'oxyde de fer liquide dégage une grande quantité de chaleur qui surchauffe le bain. On peut utiliser cette chaleur en même temps qu'on réduit la surchauffe par addition de mitrailles, de rib- blons, ou d'autres déchets de fer ou d'acier, ou par addition de ferro-alliages.
L'oxyde de fer liquide destiné à l'affinage de fonte Thomas liquide,ou à tout autre usage .métallurgique,peut être,pré- alablement à cet usage, mélangé d'une certaine quantité de chaux.
Au lieu de soutirer séparément l'oxyde liquide et le fer liquide,on peut verser le tout dans un mélangeur contenant de la fonte brute liquide en quantité telle qu'une partie de cette fonte serve à désoxyder le fer liquide et qu'une autre partie soit affinée par l'oxyde de fer liquide. Le laitier formé par cette opération peut être évacué et,dans le cas d'un mélange avec de la fonte Thomas,être utilisé comme engrais,souvent dénommé scorie Thomas.
Si, au lieu d'oxygène industriel,considéré comme oxy- gène pur,on emploie de l'oxygène mélangé à une quantité notable de gaz iner te, la réaction d'oxydation des mitrailles est plus len te. En augmentant la proportion de gaz inerte, il arrive un moment où l'oxyde de fer ne se forme plus à l'état liquide.
La quantité de gaz inerte admissible pour que le procé- dé suivant l'invention soit réalisable est d'autant plus grande que les mitrailles employées sont plus fines. On peut toutefois augmenter la vitesse (le réaction et, par conséquent, admettre de l'oxygène moins pur, soit en préchauffant suffisamment le mélange gazeux, soit en utilisant un mélange gazeux à une pression supé- rieure à celle dont il a été question ci-dessus, cette pression supérieure étant telle que la pression partielle de l'oxygène dans le mélange soi-t au moins égale à environ la pression atmos- phérique.
Eventuellement,on peut utiliser un mélange d'oxygène et de gaz non réactionnel préchauffé et comprimé à une pression supérieure à la pression convenant dans le cas --------------------
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d'oxygène pur.
Il est à remarquer que, puisque la réaction d'oxy- dation consomme de l'oxygène, le mélange d'oxygène et de gaz non réactionnel s'appauvrit en oxygène si on ne le chasse pas du four. Il importe donc pour que la réaction continue à se produire comme au début qu'on assure la circulation du mélange dans le four en évacuant le surplus de gaz indési- rable par une soupape ou un robinet maintenant à l'intérieur du four une pression suffisante.
On peut également fournir une partie de la chaleur nécessaire à la fusion de la charge et à son traitement métallurgique ultérieur par un autre moyen, par exemple au moyen d'un arc électrique ou par induction. La chaleur fournie par cet autre mode de chauffage peut être appliquée à la charge simultanément ou non avec la chaleur provenant de la réaction exothermique entre le métal et le gaz.
Le procédé suivant l'invention est applicable, en pratique, à la fabrication d'autres métaux que le fer, à condition de faire réagir avec les mitrailles de ces métaux un gaz approprié donnant lieu à une réaction exothermique dont la quantité de chaleur développée est suffisante pour former le produit de réaction à l'état liquide, ce produit ayant une température de fusion inférieure à la température de fusion du métal à obtenir.
Dans le cas où on veut fabriquer du cuivre, on chauffe, par exemple, au rouge, une partie de la charge de mitrailles de cuivre située à la partie supérieure de cette charge et on envoie du chlore sur le métal chauffé dans des conditions telles que le chlorure de cuivre soit formé à l'état liquide et qu'il ruisselle avec le cuivre liquide à travers toute la charge en y propageant rapidement la réac- tion en présence du chlore.
Dans le cas de traitement de mitrailles en un n..
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alliage de cuivre, il faut que les mélanges des chlorures des métaux alliés au cuivre et de chlorure de cuivre soient également formés à l'état liquide, ces mélanges ayant une température de fusion inférieure à la température de fusion de l'alliage considéré.
Si, au lieu de chlore pur, on utilise un mélange de chlore et d'un autre gaz non réactionnel, il y a lieu d'utiliser ce mélange soit à l'état préchauffé, soit à l'état comprimé, dans des conditions analogues à celles qui ont été indiquées ci-dessus à propos d'un mélange d'o- xygène et d'un gaz non réactionnel.
REVENDICATIONS
I. procédé de fabrication de métaux neufs à partir d'une charge de mitrailles légères, dans lequel on utilise la chaleur dégagée par une réaction exothermique entre une partie de ces mitrailles et certains gaz pour faire fondre la charge, caractérisé en ce qu'on fournit tout au moins une grande partie de la chaleur nécessaire à la fusion complète de la charge de mitrailles et à son traitement métallurgique ultérieur en provoquant une réaction exother- mique entre une partie de la charge et un gaz, telle que son produit soit formé à l'état liquide, ce produit ayant une température de fusion tout au plus égale à celle du métal à fondre.