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" Production d'aluminium et d'autres métaux analogues "
Na prdsente invention concerne la réduction de mine- rais réfractaires, tels que ceux d'aluminium,.,et de métaux analogues, par ionisation.
Ce.procédé est basé sur la rupture de la stabilité de composés réfractaires en les soumettant au bombardement par un courant d'électrons ayant un voltage suffisant pour produire l'ionisation. On comprendra pour cette raison que l'ionisation et la température contribuènt toutes deux à la dissociation. La fonction essentielle de l'ionisation est d'affaiblir à un tel point la liaison chimique que la dis- sociation thermique du minerai ionisé en résultera aux tem- pératures auxquelles le minerai ionisé est pratiquement stable.
Ce procédé est bas$ sur une réaction spécifique qui comprend la rupture ou la scission des composés en leurs constituants élémentaires par l'emploi du pouvoir d'ionisation du courant d'électrons qui est présent dans,.,
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... l'arc électrique.
On a jusqu'à présent proposé de produire de l'a- luminium et du magnésium directement à partir de leurs compo- sés par dissociation thermique en présence de carbone avec ou sans chlore gazeux et, dans ce but, on a proposé d'utiliser un arc électrique comme source de chaleur en formant les à lectrodes de l'arc au moyen de certaines des substances de la réaction. Ces procédés n'ont pas été satisfaisants. Les procédés proposés ont été basés sur l'action thermique pour provoquer la dissociation et, sous ce rapport, la manière d'admission du mélange et de réaction des substances a été choisie de façon à obtenir la présence des matières aux points de température maximum dans l'arc.
La dissociation de ces substances, par des moyens thermiques seuls, n'est toutefois pas possible parce que la dissociation provenant de cette cause a lieu à une vitesse praticable seulement à des tempé- ratures considérablement supérieures à la température de l'arc et à des températures plus élevées que celles qui peu- vent être utilisées dans le/production industrielle. Par exem- ple, on a également proposé de fournir le composé à dissocier dans un arc électrique sous forme d'une poudre pour permettre sa réaction aisée avec le chlore gazeux, mais l'arc lui-même a un haut effet de dispersion, ce qui projette la matière hors de la réaction, ceci rendant le procédé inefficace à la fois en matière première et en consommation d'énergie.
Un but de la présente invention est de fournir un procédé basé sur la dissociation des composés par ioni- sation à haute température ,et pas seulement par chauffage, et, de cette manière, on fournit un procédé comprenant la réaction entre le carbone, le ohlore gazeux et le composé métallique, qui assurera en fait la réduction efficace du métal dans l'opération pratique.
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Un arc électrique ne fait pas que chauffer, mais produit également une ionisation très intense qui peut étre utilisée pour scinder les composés métalliques à des tempé- ratures de loin inférieures à celles auxquelles la dissocia- tion thermique peut avoir lieu, et à des températures qui sont oomprises dans les limites de fonctionnement pratique des procédés de fabrication.
Suivant le présent procédé, les oomposés métalli- ques sont donc introduits en un point où ils peuvent être soumis au bombardement ionique maximum , de façon à produire de l'alimunium ou du magnésium libre, l'oxygène étant enlevé par le carbone, et le chlore est introduit de telle manière qu'il fixe l'aluminium libre avant qu'il y ait une chance 'de ré oxydation.
Il est également important que le voltage à travers l'arc soit maintenu élevé pour que la vitesse moyenne des électrons puisse dépasser celle qui est requise pour produire la vitesse d'ionisation de laquelle dépend,la dissociation, et il est également désirable que la pression du gaz entou- rant l'arc soit choisie de façon que cette vitesse électro- nique soit-, .atteinte.
Pour réaliser les résultats mentionnes plus haut, on a trouvé qu'il est important que l'anode de l'arc lui- même soit composée d'un mélange de composé métallique et de carbone, vu que 1'effet électroique maximum apparaît à la surface de l'anode de l'arc. Ce procédé procure donc la disso- oiation maximum.
Cette partie du procédé produira elle-même d l'aluminium pur qui pourrait être utilisé par enlèvement d'oxygène jusqu'à ce que l'aluminium ait été condensé, Ce résultat entraîne cependant en pratique des difficultés parmi lesquelles se trouve le fait que l'aluminium ainsi produit est. nécessairement mélangé à d'autres métaux, qui peuvent avoir été présents dans les minerais initiaux et...
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..qui sont difficiles à éliminer. De plus, l'aluminium peut se précipiter sous forme d'une poudre fine qui peut former des combinaisons nuisibles et présenter des difficultés dans les procédés métallurgiques ultèrieurs
Dans les buts mentionnas plus haut, il est désirable d'envelopper l'arc de chlore gazeux en quantité suffisante pour qu'il se combine avec l'aluminium libre pour produire du ohlorure d'aluminium qui peut être facile- ment séparé des autres produits de réaction par condensa- tion fractionnée et qupeut être facilement réduite l'état métallique solide par électrolyse.
Le rôle du chlore, toutefois, en alunissant à l'aluminium, est ce qui a lieu le plus facilement, non dans l'arc lui-même, mais dans la couronne entourant l'arc. Le chlore gazeux pour produire son effet maximum doit toute- fois être introduit,non dans la partie centrale de l'arc, mais dans la couronne entourant celui-ci.
Manids que l'anode doit être composée d'un mélange de carbone et du composé métallique, ceci présente en soi. un facteur distinctif, parce que les mélanges tel qu'un mélange d'argile et de carbone, qui conviennent le mieux pour le procéda, sont ceux à résistance relativement élevée au passage du courant électrique qui forme l'arc.
Pour donner le rendement maximum, il est donc désirable que la matière anodique soit réduite à un minimum dans une direction de passage de courant, et que des moyens soient prévus pour conduire le courant aussi près que pos- sible de la surface anodique avec la résistance minimum.
Dans ce procédé, le maximum de la dissociation a lieu par bombardement des ions négatifs, à la surface ano- dique. Il s'ensuit que la cathode peut elle-même être faite en matière conductrice inerte, telle que du carbone, ae qui réduit donc la résistance ohmique des électrodes.
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En général, tandis qu'il y a quelques dissocia- tions causées par la collision avec les ions positifs à la cathode, qui peut être utilisée si la cathode est faite éga- lèment en matière réactionnelle, ce qui augmente la quantité totale de dissociation pour le courant dépensé à l'intérieur de l'arc, néanmoins, la résistance ohmique accrue de la borne' de la cathode et la perte de puissance qui en résulte, tendent à dépasser les avantages de l'ionisation augmentée.
Suivant la, présente expérience, les résultats les plus efficaces peuvent être obtenus par conséquent, lorsque la oathode est faite en matières constituées de carbone, telle qu'on les utilise habituellement dans les arcs électriques et lorsque l'anode est composée d'un mélange de matière métallifère à réduire avec une quantité suffisante de carbone pour réagir avec l'oxygène du composé, et lorsqu' un bon trajet conducteur est prévu pour le courant électrique jusqu'à un point aussi rapproché que possible de la surface de l'anode.
L'invention comprend, par conséquent, une méthode réalisant les changements, accomplissant les résultats et comprenant la relation des phases l'une par rapport à l'au- tre, qui seront illustrés dans la méthode décrite ci-après,, le cadre d'application de l'invention étant indiqué aux re- vendications ci-annexées. pour une meilleure compréhension de la nature et des buts de l'invention, on se reportera à la description détaillée donnée ci-après, en corrélation aveo les dessins annexés dans lesquels :
La fig.l est une vue en coupe d'un appareil au moyen duquel le procédé peut être réalisé. La fig.2 repré- sente une forme modifiée de l'appareil de réduction.
La fig 3 est un détail du mécanisme d'alimentation de la fig.2 La fig.4 est une coupe transversale par la ligne 4-4 de la fig.l.
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Aux dessins, le chiffe 10 indique une chambre ap- propride ayant une cathode 11 et l'anode 12 supportées res- pectivement depuis le sommet et la partie inférieure de celle-ci, en position pour maintenir entre elles un arc é- lectrique 13, à, l'intérieur de la chambre. La chambre elle- même est faite en une matière appropriée quelconque, qui restera sensiblement inerte aux températures communiquées par l'arc. La cathode est faite, de préférence, en carbone tel qu'on l'emploie habituellement dans la fabrication de charbons pour arc électrique, tandis que l'anode est compo- sée d'un mélange de certaines compositions de carbone et de matières métallifère, à partir desquelles le mtal doit être extrait, tel que, par exemple, de l'argile.
Un mélange appro- prié dans ce but peut comprendre
Kaolin 5 parties
Coke en poudre 2 parties
Liant Quantité suffisante, toute la matière étant mélangée et comprimée et, de prófé- rance, cuite de manière à former une substance conductrice, cohérente et dure.
La cathode est portée directement par le sommet de la chambre et est reliée à la borne négative 14 d'une sour- ce de courant continu. L'anode est montée dans un manchon 15 composé d'une matière qui est bonne conductrice de 1'électroi- cité telle que, par exemple, le carbone ou tout métal capable de rester inerte aux températures et' conditions obtenues dans la chambre.
Ce manchon est relié à, la borne positive de la source de courant continu et il est en contact solide avec l'anode, aussi près que possible sur toute sa longueur et en un point très proche de l'arc lui-même,la limite étant telle que le manchon soit suffisamment espacé de l'arc-pour empêcher l'arc de frapper le manchon au lieu de l'anode et suffisamment loin pour que la chaleur de l'arc ne détruise pas le manchon lui-même.
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on a trouvé qu'il est de grande importance que le voltage soit élevé à travers l'arc pour obtenir un bon fonctions .nement vu que l'arc ordinaire à bas voltage est inopérant.
Lorsqu'on élève toutefois le voltage au-dessus de celui de l'arc normal, il arrive un endroit où. une élévation brusque dans la vitesse de dissociation a lieu, jusqu'à ce que l'optimum pra- tique de fonctionnement soit obtenu. Des résultats accrus ont été réalisés lorsque le voltage de l'arc normal est élevé jus- qu'à 60 et 120 volts. De hauts voltages sont encore plus satis- faisants dans une large gamme de fonctionnement.
L'effet de l'augmentation de voltage auquel on s'est rapporté est de créer une région de matière de minerai haute- ment ionisée immédiatement en face du cratère de l'anode. Cet- te région apparaît dès que les voltages d'ionisation sont atteints et c'est le phénomène par lequel le procédé est carac- térisé.
Si des voltages excessifs sont amenés par extension de l'arc sans permettre une élévation de courant, jusqu'à ce que, par exemple, il ait de 5 à 10 cm de long, la région d'io- nisation intense est limitée près de la surface du cratère' et elle peut être masquée par le brillant de cette surface. Elle peut donc ne pas être facilement distinguable d'aspect avec la surface du cratère elle-même, mais elle le sera par son effet prononcé dans le présent procédé. Si le courant peut ce- pendant être élevé pour accompagner le voltage croissant, ce même type de région entrera en existence et si le courant aug- mente jusqu'à une valeur plusieurs fois aussi grande que cel- le de l'arc normal, cette région prendra une profondeur très importante. Elle deviendra optiquement très brillante et,se répandra à une distance importante de l'anode.
Malgré son contact ferme avec le manchon, l'anode peut être déplacée vers le haut par le manchon lorsqu'elle ,s'us dans la réaction dans l'arc et les rouleaux 16 sont
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représentés schématiquement, illustrant ce déplacement de l'a- node.
Le chiffre 17 représente une source de chlore gazeux, commandée par une soupape 18 et un manomètre 19. Ce gaz est fourni à un manchon 20 qui entoure la cathode 11 et décharge le chlore en un endroit voisin de l'arc comme on l'a représen- té, le manchon formant donc avec la cathode une ouverture de décharge annulaire débitant un cylindre creux de chlore en po- sition pour entourer la partie supérieure de l'arc. Les pro- duits de la réaction sont entraînés hors de la chambre dans des conduites 21 par une pompe 22 qui sert de moyen de fixa- tion de la pression dans la chambre autour de l'arc. Cette pression doit être suffisamment inférieure à la pression atmos- phérique pour assurer l'ionisation la. plus efficace dans l'arc.
Les conduites 21 aboutissent à travers une conduite 23 dans un récipient 24 qui est complètement entouré par une chemise 25 qui peut être remplie d'un fluide de refroidisse- ment 26. L'intérieur du récipient 24 a de préférence, un cer- tain nombre de plaques déviatrices 27 pour aider au maintien de la température de l'intérieur du récipient aussi près que possible de la température déterminée à l'avance par la tempé- rature du liquide réfrigérant 26, et, dans ce but, les plaques déviatrices sont représentées dans une forme propre à amener les gaz de décharge à se projeter de façon répétée contre les' parois du récipient 24. Des moyens appropriés 28 et 29 sont prévus pour le maintien de la circulation du fluide de r'efrois- dissement entre le récipient 24 et la chemise 25,
et des moyens appropriés 30 peuvent également être prévus pour l'évacuation du récipient 24 de toute matière qui se condense dans celui-ci.
La conduite de décharge 31 relie le récipient 24 au- dessus des plaques déviatrices au récipient 32 qu, à son tour, est entouré par la chemise 33, l'espace entre le réci- pient et la chemise étant rempli par un fluide de refroidisse
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ment 34 et des moyens 35 et 36 sont prévus par lesquels le fluide dans la chemise peut être fourni et maintenu en circu- lation. La conduite de décharge 37 commandée par une soupape 38 peut conduire tout liquide condensé dans le fond du réci- pient 32 vers un bain 39 ayant une cathode 40 dans son fond et une ou plusieurs anodes 41 s'étendant vers le bas dans le bain, à partir du sommet, la cathode étant reliée à une sour- ce négative de courant continu et l'anode à une source posi- tive, comme' on l'a représenté.
Une conduite de relâchement 42 peut permettre l'échappement de tous les gaz qui ne sont pas récupérés par les phases mentionnées ici.
Avec la construction représentée, la dissociation de la matière métallifère est maintenue dans l'arc principale- ment à proximité de l'anode. La décharge de chlore du manchon 20 provoque cependant immédiatement l'union de l'aluminium et du chlore en formant un composé relativement stable de chlo- rure d'aluminium tandis que l'oxygène ou le silicium ou toute autre substance qui a été unie au métal est lui-même réduit en oxyde de carbone ou en chlorure de silicium ou en substance analogue.
Les produits de réaction de la première phase du procédé, s'il est utilisé pour la production d'aluminium, peu- vent à présent être séparés l'un de l'autre par la différence de la-température de condensation. Si la température du bain entourant le récipient 24 est maintenue à sensiblement 500 C, on séparera par condensation dans ce récipient tous les chlo- rures à point de fusion élevé formés dans le procédé, mais le chlorure d'aluminium formé avec des substances à bas point de fusion restera sous forma gazeuse et passera dans le réel- pient 32. On préfère prévoir une pompe de refoulement 31a pour contribuer au transfert et pour maintenir une pression appropriée dans le récipient 32.
Le bain entourant le récipient ,32.peut être maintenu à une température de 170 C et la pression
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dans le récipient 32 peut être maintenue à environ deux atmos- phères et demie ce qui amènera le chlorure d'aluminium à se condenser sous forme liquide dans le récipient mais ce qui per- met à l'oxyde de carbone, au chlore libre, au tétrachlore de silicium et aux autres produits gazeux d'être déchargés par l'ouverture de décharge 32a.
Le chlorure d'aluminium liquide peut être déchargé dans le bain 39 par la conduite 37 et1à, être soumis ' l'é- lectrolyse entre la cathode 40 et les anodes 41 l'aluminium étant déposé à la cathode et le chlore récupéré par la condui- te de décharge 42 Pour aider à maintenir l'électrolyse du chlorure d'aluminium fondu, il est désirable d'ajouter à la masse fondue du chlorure de sodium ou de potassium qui augmen- te le rendement du procédé sans gêner le dépôt de l'aluminium.
Avec la forme d'anode employée à la fig. 1, qui re- çoit le courant à partir de sa périphérie extérieure, à par- tir du manchon 15 il est désirable de construire l'anode de façon à maintenir la densité de courant uniformément sur la surface terminale active de l'anode.
Dans ce but, le mélange formant l'anode peut être modifié légèrement en mettant un pourcentage plus élevé de carbone dans son noyau, ce qui sur- monte donc la tendance qui, autrement peut exister, que le courant soit concentré à la périphérie de l'arc plutôt qu'au centre de celui-ci, ce qui rend l'anode inégalement rédutrice Avec cette construction, comme on l'a représenté à la fig. 4, le courant venant du manchon tend à jaillir vers l'intérieur à travers le centre de carbone, avant de passer vers le haut le long de son axe à cause de la plus grande conductibilité de la partie centrale.
En relation avec le condensateur comprenant le réci- pient 24 et les parties mentionnées, il est désirable de pré- voir une fermeture de gaz 30a pour permettre à la matière con- densée d'être enlevée de celui-ci sans gêner le procédé.
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Dans le'appareil compris à la fig.2, la chambre 110 fonctionne de façon identique à la chambre la, mais les ou- vertures de décharge 121 sont réparties autour de sa périphé- rie et reliées par une conduite générale 121a. Dans cet appa- reil, l'anode 112 également est elle-même sous la forme d'une briquette courte cylindrique composée des matières réaction- ' nelles, qui est supportée par une borne 112a de matière conduc- trice inerte quelconque telle que le carbone; la borne elle- même est fixée dans un manchon 112b qui est relié à l'électro- de positive de la source de courant continu et des moyens ap- propriés sont prévus pour élever et abaisser ,la borne à volon- té, représentés sous forme d'une crémaillère 112c et du pi- gnon 112d.
Cet apparèil est destiné à permettre à la borne 112 d'être retirée de la chambre 110 et d'être amenée à niveau avec une table 50 qui se trouve très près de celle-ci et d'un plan incliné 51 de dimension et de forme propre à recevoir un certain nombre de briquettes 112. Ces briquettes sont portées l'une sur l'autre dans le plan incliné 51 et sont déplacées vers le haut dans celui-ci par un plongeur vertical 52 comme on l'a indiqué.
La tige de poussée horizontale 53 est destinée à venir en prise avec le côté d'une briquette, la disposition étant telle que le plongeur 52 puisse être actionné pour ame- ner la face inférieure d'une briquette à niveau avec une table 50, après quoi la tige de poussée 53 peut être poussée pour faire glisser la briquette depuis la surface de la table 50 dans une position pour reposer sur l'extrémité de la borne 112a lorsque celle-ci est dans sa position abaissée. Ensuite, la borne peut être élevée pour amener la briquette en contact avec la cathode 111 et faire jaillir l'arc comme on le compren- , dra facilement.
Pour maintenir le contact maximum entre la borne 112a et la briquette placée sur celle-ci, on peut prévoir un petit balai-54 articulé à la tige de poussée 53 de telle maniè-
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re que lorsque la briquette est poussjevers l'avant et vers la borne, le balai enlève la poussière ou la poudre inutile de la face de la borne, l'articulation étant telle cependant que, lorsque la tige de poussée 53 est retirée, le balai sera déplacé hors du trajet de la briquette sans l'entraîner avec lui. Dans cette construction, on doit prévoir un petit couver- cle 56 pivotant en 57 de manière à lui permettre de fermer l'ouverture pour la borne 112a, lorsque celle-ci est retirée, dans le but d'empêcher l'échappement du chlore gazeux.
L'appareil décrit ici est destiné à fournir une ma- tière métallifère en un point où elle peut être soumise au bombardement ionique maximum, tout en maintenant en même temps la résistance ohmique des bornes et des électrodes à un mini- mum et, ensuite, à fournir le chlore en un point où il prote- gèra entièrement le métal résultant, de l'oxydation sans gè- ner les réactions dans l'arc.
Un minimum de l'énergie électro- nique de l'arc est donc consommé dans le bombardement des ato- mes de chlore, mais le chlore est néammoins disponible pour empêcher toute oxydation au métl Par ce procédé, la réduc- tion est réalisée avec un minimum d'énergie électrique et avec un minimum de dispersion de matières actives et, par consé- quent, avec un minimum de perte de produits de réaction, de sorte que les chlorures métallifères peuvent être séparés et réduits d'une manière simple et peu coûteuse.
Un des avantages importants du présent procédé rési- de dans le fait qu'il n'est pas gêné par la présence des quantités d'eau qui peuvent se trouver dans les minerais vu que cette eau est également dissociée dans l'arc en donnant de l'oxyde de carbone et du chlorure d'hydrogène anhydre dont aucun n'offre de gêne pour les réactions.
On verra facilement que les conditions requises pour la dissociation des minerais d'aluminium par ionisation dans l'arc électrique sont radicalement différentes de celles des-
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tinées à produire'cette dissociation par activité thermique et'que l'arc établi et maintenu dans des conditions appropriées pour la dissociation thermique ne convient pas pour les réac- tions ioniques.
Lorsqu'on se propose d'employer l'arc dans le but de produire la dissociation par la chaleur, il s'ensuit que le potentiel et le courant de l'arc seront choisis de manière à produire le maximum de température. Ce' résultat est obtenu par un arc de voltage relativement bas et à courant élevé. Ce- la correspond à un arc court normal. Cet arc aura un voltage tellement bas qu'il n'atteint pas une vitesse électronique suffisante pour fonctionner de manière satisfaisante par io- nisation. Le résultat est que cet arc est tellement inefficace dans le fonctionnement pratique qu'il est industriellement non satisfaisant.
Suivant la présente invention, toutefois, dans la- quelle la dissociation est provoquée par ionisation basée sur la vitesse électronique, les conditions de service satisfai- sarites nécessitent que la vitesse à travers l'arc soit relati- vement élevée et que la haute température résultant de cette haute densité de courant ne soit pas le but désiré, et ceci ne conduit pas au maintien du type d'arc à haut voltage.
Dans le cadre de la présente demande de brevet, la réduction de magnésium peut être réalisée de la même manière que la réduction d'aluminium, excepté seulemntdans le cas de magnésium, le chlorure de magnésium a un point de vaporisa- tion plus élevé et est condensé plus facilement. Il peut donc être récupéré dans la première chambre de condensation sans nécessiter l'emploi de la seconde chambre.
Ces deux métaux, aluminium et magnésium, possèdent la caractéristique commune que leurs minerais sont hautement réfractaires, qu'ils peuvent être réduits à partir de leurs minerais par ionisation dans un arc électrique, en présence
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de carbone, qu'ils ont la même avidité pour l'oxygène mais peu- vent être protégés de l'oxydation par transformation en un halogénure tel qu'un chlorure dans une atmosphère de 1'alogème et peuvent être récupérés à partir de cet halogénure. Ces ca- ractéristiques les rendent utilisables pour le présent procédé et c'est à ces minerais réfractaires que l'on se réfère par les termes " groupe de l'aluminium ", vu que l'aluminium est caractéristique du groupe, ou par l'expression minerai ré- fractaire " sans tenir compte de leur position dans le tableau périodique.
La classification comme minerais réfractaires est habituelle et bien connue dans le métier.
On a utilisé le chlore dans ce travail parce qu'il est de loin plus réactionnel que le brome ou l'iode et est moins coûteux. Le fluoré cependant plus réactionnel, est beau- coup plus difficile à manipuler sous ce rapport. Tous les ha- logènes possèdent la propriété qu'ils produisent des ions né- gatifs. Ces propriétés des halogènes sont cependant bien con- nues dans le métier. A part ces différences, les halogènes sont équivalents l'un à l'autre.
Vu que certains changements peuvent être apportés au procédé décrit plus haut sans qu'on s'écarte du cadre de l'invention, l'intention :des inventeurs est que toute matière contenue dans la description précédente soit considérée dans un sens illustratif et non limitatif.
REVENDICATIONS
1. Le procédé de réduction d'éléments réfractaires à partir de leurs minerais, qui comprend le maintien d'une ré- gion d'ionisation de la matière du minerai à proximité de l'a- node d'un arc, et la projection dans cette région des ions né- gatifs d'un halogène.
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