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PROCEDE DE FUSION DE MINERAIS ZINCIFERES
La présente invention se rapporte à la fusion de minerais zinci- fères et plus particulièrement à leur fusion au four électrique.
La fusion du zinc au four électrique offre de nombreux avantages tels que la simplicité de la préparation de la charge et du fonctionnement du four comparativement aux procédés de fusion du zinc actuellement en usage.
On a imaginé jusqu'ici d'innombrables projets de fusion au four électrique de minerais zincifères comportant la fusion d'une charge sèche de minerai et de matière réductrice avec mise en liberté concomitante de vapeur de zinc métallique, mais à la connaissance de la demanderesse aucun de ces projets n'a été mis en pratique industriellement. Ceux qui ont essayé d'exécuter les projets antérieurs se sont aperçus que la teneur relativement élevée en pous- sières et la teneur élevée en anhydride carbonique des gaz contenant la va- peur de zinc produite au four électrique empêchent pratiquement la conden- sation des vapeurs de zinc en métal fondu. La poussière parait, dans le fonc- tionnement de ces fours,être produite par volatilisation en même temps que des valeurs de zinc de certaines impuretés qui se solidifient à nouveau dans l'atmosphère du four.
Les particules poussiéreuses ainsi formées constituent des noyaux de condensation et de solidification des vapeurs de zinc sous la forme de petites particules connues sous le nom de poudre bleue physique. Ces petites particules constituant les poussières, et qui sont principalement des oxydes métalliques, paraissent également catalyser la dissociation de l'oxyde de carbone présent dans les gaz du four en anhydride carbonique et en carbone quand la température des gaz descend à 900 C. environ et au-dessous.
L'anhydride carbonique obtenu est un agent oxydant puissant à l'égard du zinc en vapeur et son action sur la vapeur de zinc présente dans les gaz du four au moment où elle se refroidit dans un condenseur à zinc se traduit par la formation de poudre bleue chimique et de concrétions d'oxyde qui obstruent rapidement le condenseur.
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La demanderesse a découvert qu'il est possible de fondre dans-ùn four électrique les minerais zincifères du type oxyde ou oxydé, avec produc- tion de vapeurs de zinc sensiblement exemptes d'impuretés volatilisées for- mant des poussières. Elle a découvert que ce résultat ne peut être obtenu que par règlage d'une combinaison de conditions de fusion. Ces conditions critiques de fusion résident dans une corrélation étroite entre la compo- sition de la charge et la manière suivant laquelle est effectuée la fusion.
Le règlage de ces conditions critiques permet la fusion d'un minerai zinci- fère avec une matière réductrice carbonée dans un four électrique avec pro- duction d'une vapeur de zinc métallique sensiblement exempte d'impuretés constituant les poussières et d'une scorie fondue sensiblement exempte de zinc.
Le procédé de fusion selon l'invention consiste à charger dans le four du minerai zincifère et la matière réductrice carbonée sous la forme d'une masse fragmentée sèche,- à établir-dans la composition de la charge une te- neur en oxyde de fer suffisantepour fournir par réduction partielle une masse d'un composé de fer fondu sous cette scorie et d'au moins 1,5% d'oxy- de de fer (calculé à l'état de fer présent) dans la scorie fondue, à pro- portionner la quantité de la matière réductrice à celle de l'oxyde de zinc et de l'oxyde de fer de la charge de manière à effectuer la réduction de la totalité de l'oxyde de zinc du minerai en zinc métallique, mais seulement la réduction d'une partie de l'oxyde de fer de ladite charge de façon à laisser dans la scorie au moins 0,5 à 1 %,
mais pas plus de 6% en poids d'oxyde de fer-calculé en fer, et à fondre la charge à la surface de la sco- rie fondue à une température ne dépassant pas 1450 Ce Il est possible d'en- tretenir dans le four électrique une température de fusion relativement fai- ble et ne dépassant pas 1450 C., conformément à la présente invention, en règlant le chauffage de la charge, et la fluidité de la scorie où se trouve concentrée la chaleur du four et en utilisant la charge fraîche d'une maniè- re telle qu'elle facilite l'obtention d'une température de fusion ne dépas- sant pas 1450 Ce environ.
Le procédé de fusion de la présente invention est applicable à un minerai oxydé zincifère quelconque, trouvé naturellement à l'état oxydé ou obtenu par grillage de la blende. La demanderesse a fondu avec succès des minerais représentatifs qui par ailleurs varient d'un extrême a l'autre quant à leur teneur en zinc.
C'est ainsi par exemple qu'on a fondu et con- densé avec des rendements dépassant 85% des vapeurs de zinc métallique pro- venant de minerais tels que les minerais calcinés de Sterling Hill d'une teneur en zinc de 20%, un mélange de minerais frittés.de Buchans River et de New Calumet et de bruts calcinés de Sterling Hill d'une teneur moyenne en zinc de 30 %, un mélange fritté de minerais de Buchans River, New Calu- met et de' résidus verts de minerais contenant 60 % de zinc, et un mélange de résidus bruts grillés de minerais d'Avales, Paragsha et de minerais verts titrant 67,5% de zinc.
La fusion des minerais de faible titre susmentionnés donne une scorie ne titrant à la sortie du four que 0,1 à 0,75% de zinc. La fusion des minerais à titre plus élevé donne des scories contenant 0,5 à 1,5% environ de zinc. Le reste de la teneur en zinc de chaque charge en est éliminé sous forme de vapeur de zinc métallique et recueilli. Le plomb et le cadmium présents dans le minerai en sont éliminés dans la proportion de 97 à 98 % et sont entraînés par la vapeur de zinc. On ne décèle que 0,02 à 0,3% de fer dans le zinc métallique condensé, la quantité de fer présente dans le zinc dépendant des teneurs en fer et en zinc du minerai. Virtuellement, la tota- lité du cuivre présent dans le minerai est réduite et concentrée dans le composé de fer obtenu dans l'opération de fusion.
La majeure partie de l'or et de l'argent contenus dans le minerai chargé passe dans le produit ferreux et le reste dans le zinc métallique condensé. Quand il y a. du manganèse dans le minerai, comme c'est le cas du minerai de Sterling Hill, la majeure partie reste dans la scorie et le reste passe dans le produit ferreux. Il s'ensuit que, sauf le manganèse quand il s'en trouve dans le minerai zincifère fondu conformément à la présente invention, la totalité des constituants intéres- sants du minerai est recueillie dans le zone métallique condensé ou dans la fonte de fer fondue.
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Les minerais zincifères oxydés comprennent généralement du zinc, du cadmium, du plomb, du cuivre, de l'argent et du fer essentiellement sous forme d'oxydes, lesquels peuvent être facilement réduits par les matières carbonées à des températures de l'ordre de 1100 à 1400 C environ, ainsi que des oxydes de calcium, de magnésium et de silicium qui ne sont pas fa- cilement réduits dans ces conditions.
On peut facilement obtenir au four électrique des températures de fusion de l'ordre de 1100 à 1400 C., mais pour chauffer la masse entière d'une charge de fusion à une température de cet ordre dans un four électrique, il est caractéristique de ce genre de chauffage qu'il faille chauffer une partie importante de la charge à une température notablement plus élevée.La demanderesse a découvert que lors- qu'une portion d'une charge provenant de la réduction d'un minerai zincifè- re oxydé est chauffée à une température nettement supérieure à 1450 C., un ou plusieurs constituants de la gangue tels que la chaux, la magnésie et la silice ont tendance à se volatiliser, directement et (ou) indirectement.
La chaux, la magnésie et la silice peuvent être volatilisées directement sous la forme d'oxydes ou indirectement par réduction sous la forme des métaux eux-mêmes, lesquels sont ensuite volatilisés et réoxydés par action de l'oxy- de de carbone et de l'anhydride carbonique présents dans l'atmosphère du four. La volatilisation des constituants de cette gangue dans une partie relativement chaude de la charge est suivie d'une solidification des va- peurs dans une partie plus froide du four et les matières solidifiées ap- paraissent dans l'atmosphère du four sous la forme de particules analogues à des poussières. Il semble que ces particules favorisent la formation de la poudre bleue physique et de la poudre bleue chimique au moment où les gaz de fusion contenant le zinc en vapeur sont refroidis pour provoquer la condensation du zinc.
La demanderesse a découvert qu'on peut établir des températures de fusion ne dépassant pas 1450 C. dans une charge zincifère au four élec- trique si on chauffe la charge essentiellement, sinon tout à fait complète- ment, au contact de la scorie chaude produite au cours de l'opération de fu- sion et qu'on ne laisse pas dépasser une température de 1450 Ce, prise au moment où on extrait la scorie du four. On a ainsi découvert qu'on peut fondre efficacement une charge zincifère sous la forme d'une masse fragmen- tée de particules séparées flottant à la surface de la scorie, laquelle est maintenue à l'état fluide à une température de 1100 C. environ au moins.
La fusion parait se faire à l'interface de la scorie et de la portion infé- rieure de la masse flottante de charge zincifère qui est à son contact. L'o- pération de fusion est endothermique, de sorte que la charge fraîche possè- de une grande capacité d'adsorption de chaleur provenant de la surface de la scorie à la fois par contact et par les conditions de radiation qui sont à peu près celles d'un corps noir. Cette adsorption de chaleur en provenan- ce des scories sert à règler la température de la partie de cette scorie qui se trouve au contact de la charge fraîche et permet de maintenir des condi- tions de fusion comportant une température ne dépassant pas un maximum de 1450 C., qui est la température de la scorie.
Au cours de cette opération de fusion, les oxydes de zinc, de cad- mium, de plomb, de cuivre et d'argent sont facilement réduits. On se rend compte que lorsque la quantité de ces métaux présents sous forme non réduite est enlevée de la partie de la charge qui est au contact de la scorie fluide, la capacité de la charge à absorber la chaleur de ladite scorie, et donc de régler sa température, se trouve réduite. En conséquence, lorsque le degré de réduction du zinc et des autres métaux facilement réductibles se rappro- che de la réduction complète, le reste, qui n'a plus de capacité à absorber de la chaleur, se surchauffe et provoque la volatilisation des constituants du minerai formant des poussières.
Toutefois, on a découvert que, si une quantité suffisante d'oxyde de fer est présente dans la charge de fusion, la totalité du zinc qu'elle contient peut être réduite cependant qu'une certaine quantité de l'oxyde de fer reste non réduite. La présence d'oxyde de fer non réduit et de carbone dans la charge alors que la teneur en zinc réductible -de la charge approche de zéro sert à maintenir dans ladite char- ge un mélange réductible d'oxyde de fer et de carbone dont la capacité
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d'absorber de la chaleur en vertu de sa réaction endothermique est suffisan- te pour remplir la fonction accomplie par la matière zincique réductible re- lativement au réglage de la température de fusionOn se rend compte que, pour que l'oxyde de fer accomplisse cette fonction,
il est nécessaire qu'une certaine quantité d'oxyde de fer soit effectivement réduite avec production de fer métallique. On a découvert que si le minerai zincifère chargé dans le four électrique est accompa;gné 'd'une quantité suffisante d'oxyde de fer, compte tenu des proportions de carbone et des autres métaux facilement ré- ductibles présents dans le minerai, pour former par réduction partielle un fer métallique et laisser sous forme non réduite au moins 1,5% d'oxyde de fer calculé en poids de fer rapporté au poids de la composition de scorie dans laquelle il se dissout, pratiquement la totalité du zinc présent dans le minerai peut être réduite de manière à produire une scorie sensiblement exempte de zinc et du zinc métallique en vapeur sensiblement exempt d'impu- retés formant des poussières.
La demanderesse sait par expérience que lorsque la totalité du zinc compris dans le minerai est réduite, pratiquement la totalité du cadmium, du plomb, du cuivre et de l'argent présents dans le minerai est également réduite.
La production de fer métallique conformément à l'invention né- cessite un autre contrôle de la quantité d'oxyde de fer non réduit restànt dans la scorie. Le fer métallique formé par réduction de l'oxyde de fer a suffisamment d'affinité pour le carbone, lors de sa production dans la zone de fusion, pour en absorber suffisamment de manière à fondre à des tempéra- tures d'environ 1150 à 1450 C. qui sont celles de la zone de fusion. Le fer métallique étant plus lourd que la scorie tombe au fond du four et s'y ac- cumule. Du moment que la chaleur de la fusion est fournie au four par l'in- termédiaire de la scorie,conformément à la présente invention, la tempé- rature existant dans la partie inférieure du four, au-dessous de la scorie, est généralement plus basse que celle de la scorie elle-même.
Pour permet- tre un fonctionnement continu du four, le fer métallique doit être maintenu à un état fondu qui permette de le retirer au cours de l'opération de fu- sion à une température ne dépassant pas 1450 C. Le fer a un point de fusion inférieur à 145000. s'il contient au moins 1,5 à 2% de carbone, et si la scorie surnageante n'est pas excessivement oxydée, le fer se carbure auto- matiquement de manière à atteindre cette proportion nécessaire grâce à la matière carbonée présente dans la charge. On a découvert que les scories contenant plus de 6% environ d'oxyde de fer (calculé en Fe) sont si oxydées qu'elles empêchent la carburation du fer suivant la proportion voulue.
A . l'autre extrême, le fer contiendra environ 4% de carbone et fondra à une température d'environ 1150 C. si la scorie contient de l'oxyde de fer'dans une proportion ne dépassant pas 1,5% en poids exprimée en Fe. 11 s'ensuit qu'en établissant une relation appropriée entre les constituants de la charge comme il est décrit ci-dessus, de manière à produire une scorie qui non seulement contient au moins 1,5% de fer sous forme d'oxyde de fer mais encore pas plus de 6% environ de fer sous forme d'oxyde de fer, on assurera la production d'un fer fondu tout en maintenant une température de fusion ne dépassant pas 1450 C.
Quand la charge présente un tel rapport des consti- tuants, il est pos'sible de fondre d'une manière continue une charge 'de mine- rai zincifère dans des conditions conformes à la présente invention, avec réduction complète du zinc et production de vapeurs de zinc métallique sen- siblement exemptes d'impuretés formant des poussières.
La quantité d'oxyde de fer qui doit être présente dans la char- ge du four ne peut être établie avec une précision analytique. Comme on l'a fait remarquer précédemment, la teneur en oxyde de fer de la charge doit être au moins suffisante pour que la scorie contienne au moins 1,5% de fer sous forme d'oxyde. La charge doit de plus contenir suffisamment d'oxyde de fer pour fournir, par réduction au moyen des matières carbonées au moment où le constituant zincique du minerai approche de l'état de réduction com- plète, le degré d'adsorption de chaleur nécessaire pour entretenir une tem- pérature de fusion inférieure à 14500C. environ.
D'une manière générale, la teneur en oxyde de fer de la charge doit être de l'ordre d'au moins 2 à 3% en Fe en poids de sa portion métallifère (c'est-à-dire à l'exclusion du poids
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de matière réductrice et de fondant étranger s'il y en a). Ainsi, des mine- rais zincifères oxydés ne contenant pas plus de 2 à 3% de fer (Fe) peuvent être efficacement fondus, conformément à la présente invention sans addition d'oxyde de fer extérieure Les minerais zincifères contenant moins de 2% envi- ron de fer doivent être additionnés d'oxyde de fer venant d'une source appro- priée., Il n'y a pas de limite supérieure critique à la quantité d'oxyde de fer pouvant être contenu dans la charge fondue conformément à la présente invention,
les'seules limites étant celles dictées par la question d'écono- mie du fait que la fusion d'un excès d'oxyde de fer consume inutilement de la force électrique et de la matière réductriceo
Les matières réductrices intéressantes pour la mise en oeuvre de la présente invention sont les matières carbonées solides utilisées ordi- nairement dans les opérations métallurgiques de fusiono ,C'est ainsi qu'il est particulièrement avantageux d'utiliser la houille et le coke, de préférence sous la forme de particules d'un diamètre maximum d'environ 12,7 mm. jusqu'à celui du poussier de charbon.
La quantité de matière carbonée utilisée en pra- tique doit être suffisante poùr effectuer une réduction sensiblement complè- te de l'oxyde de zinc du minerai, en même temps que des quantités relative- ment petites d'oxydes de plomb, de cadmium, de cuivre et d'argent qui l'ac- cômpagnent, ainsi que d'une quantité de l'oxyde de fer contenue dans la char- ge telle qu'il reste dans la scorie au moins 1,5% de fer sous forme d'oxyde à l'état non réduit. Le réglage de la quantité de carbone présente dans la charge peut être effectué par analyse occasionnelle de la scorie, la propor- tion correcte de carbone présent dans la charge étant indiquée par la présen- ce d'au moins 1,5% et de pas plus de 6% de fer sous forme d'oxyde de fer dans la scorie.
On en doit pas laisser s'accumuler des quantités excessives de carbone en raison de ce qu'il paraît se rassembler à l'interface de la sco- rie fondue et de la charge solide où il se comporte comme un isolant et gêne ,le transfert de chaleur entre la scorie et la charge. Un excès de carbone abaisse également la teneur en oxyde de fer de la scorie au dessous de 1,5% avec ce résultat, entre autres, d'augmenter la viscosité de la scorie, la- quelle à son tour diminue l'efficacité du transfert de chaleur de la scorie à la charge. La diminution du transfert de la chaleur entraîne le,développe- ment de températures excessives de la scorie, avec les inconvénients inhé- rents décrits ci-dessus en détail.
L'entretien dans la scorie de la proportion susdite d'oxyde de fer et celle d'une température de fusion ne dépassant pas 1450 C. (mesurée d'après la température de la scorie à sa sortie du four) constituent des caractéristiques significatives du procédé selon la présente inventiono .C'est l'association de-ces caractéristiques qui permet la fusion du minerai de ma- nière à produire du zinc métallique en vapeurs contenant au plus une quanti- té inoffensive d'impuretés volatilisées formant des poussières. Le consti- tuant zincique du minerai, ainsi que les autres composés métalliques faci- lement réductibles qu'il contient, tendent à empêcher la fusion de la char- ge.
Il en résulte que le minerai n'a que peu de tendance sinon aucune, à se ramollir ou à fondre à des températures de fusion inférieures à 1450 Co jusqu'à ce que pratiquement la totalité des oxydes de zinc et des autres métaux endothermiques facilement réductibles ait été enlevée de la charge par l'opération de fusion. Il est donc possible, pourvu qu'on entretienne une température de fusion ne dépassant pas 1450 C., d'effectuer la fonte du minerai alors qu'il flotte à la surface de la couche de scorie fondue, avec les avantages inhérents que l'on va exposer.
Les constituants de la'gangue du minerai, après que les métaux réductibles ont été éliminés par fusion., forment un mélange relativement fusible qui passe à l'état de scorie fondue, laquelle assure le chauffage de la charge conformément à la présente inven- tiono
Au cours de ses travaux expérimentaux,'la demanderesse s'est ef- forcée de chauffer le four électrique de fusion suivant les procédés habitu- els de chauffage à arc libre et de chauffage par résistance de la scorieo Aucun de ces procédés ne donne de vapeur de zinc telle qu'on la désire, d'u- ne faible teneur en impuretés volatilisées formant des poussières, même en
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présence de la teneur susdite en oxyde de fer de la scorie.
Le chauffage à arc libre, au degré nécessaire pour chauffer la charge à une température de fusion entraîne de telles surchauffes locales au voisinage de l'arc que de grandes quantités d'impuretés formant des poussières se trouvent volatilisées. La de- manderesse a alors tenté de chauffer le four principalement par résistance de la scorie ; ce but, on a effectué l'opération de fusion de manière à produire une couche de scorie relativement épaisse, les électrodes étant plongées dans la scorie dans une mesure suffisante pour produire un courant chauffant régulier, sensiblement sans formation d'arc.
On a constaté que la fusion de la charge fraîche au voisinage de la surface de la scorie absor- bait de la chaleur à une vitesse telle, comparativement à la vitesse de l'apport de chaleur qui pouvait être fourni à la scorie en l'utilisant comme résistance, que la surface de la couche de scorie se refroidissait. Ce re- froidissement se traduit par une augmentation de la résistance de la scorie relativement froide, de telle sorte que le courant ne passe-que dans la par- tie inférieure relativement chaude de la couche de scorie, selon un trajet comprenant la couche de fer fondu. Il en résulte que la surface de la cou- che de scorie se refroidit bientôt et qu'il devient virtuellement impossi- ble de fondre un supplément de charge.
La demanderesse a constaté qu'on ne peut fondre d'une manière satisfaisante des minerais zincifères dans un four électrique qu'en asso- ciant un chauffage par arc submergé et par résistance de la scorieo La sub- mersion de chacune des électrodes, quel que soit le nombre des électrodes utilisées ou leurs connections électriques, doit être telle qu'elle fournisse une résistance calculée périphérique de l'ar de l'ordre de 0,08 à 0,32 ohm par centimètre et de préférence de 0,2 à 0,24 ohm par centimètre. La 'chute de tension d'une électrode, divisée par le courant passant dans l'électro- de, est dite résistance d'arc de l'électrodeo Le produit mathématique de cet- te résistance'-calculée et de la périphérie de l'électrode est la résistance périphérique de l'électrode exprimée en ohms par centimètre.
Pour que cette résistance périphérique soit conforme aux prescriptions indiquées ci-dessus, la périphérie.doit être calculée d'après le diamètre original de l'électrode, avant sa corrosion ou son attaque à l'intérieur du four. Quand il existe en- tre le voltage de l'électrode, son degré d'immersion dans la scorie (et donc le débit du courant) et le diamètre de l'électrode une corrélation convena- ble en vue d'établir et entretenir une résistance périphérique dont la va- leur est comprise entre les limites susmentionnées de 0,08 à 0,32 ohm/centi- mètre à chaque électrode, on constate que la multiplicité de petits arcs qui se forment autour de l'électrode entraîne un chauffage efficace de la scorie sans provoquer de volatilisation appréciable des constituants formant des poussières dans la scorie ou la charge.
Ces petits arcs éclatent au sein de la scorie à l'interface de l'électrode et de la scorie au lieu de former de. longs arcs au-dessus de la scorie. La présence de nombreux petits arcs à l'interface provoque un brassage rapide de la scorie quand celle-ci possède la fluidité appropriée comme on le verra par la suite. Ce brassage dissipe rapidement et uniformément la chaleur, ce qui empêche la formation de sur- chauffes localeso La chaleur ainsi fournie à la scorie aide à maintenir la partie supérieure de la couche de scorie à une température propre à sa flui- dification et assure l'entretien d'un trajet du courant électrique allant d'une électrode à l'autre à travers la partie supérieure de la scorie.
La chaleur ainsi fournie à la scorie entre les électrodes par passage du cou- rant électrique à travers cette scorie aide encore à maintenir la couche de scorie à l'état fluide. Ainsi, cette combinaison de chauffage par arc submer- gé et par résistance de la scorie est caractérisée par la production, à la partie supérieure de la couche de scorie, d'une quantité de chaleur suffisan- te pour assurer les besoins en chaleur de la réaction endothermique de fusion sans refroidir et solidifier la couche de scorie et sans produire-des sur- chauffes locales entraînant la volatilisation d'impuretés formant des pous- sières en même temps que celle des vapeurs de zinc.
On se rend compte toute- fois que le succès de ce chauffage combiné par arc et par résistance de la scorie en vue de fondre la charge dépend du maintien d'une scorie fluideo
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Le maintien d'une scorie fluide joue un rôle important dans le présent procédé de fusion en ce qu'il permet la submersion effective des électrodes et une répartition satisfaisante de la chaleur dans toute la mas- se de scorie. On a découvert qu'on peut facilement régler la fluidité de la scorie au moyen du réglage classique de ses constituants basiques et acides.
Au cours de l'opération de fusion, la majeure partie du consti- tuant ferreux du minerai est réduite à l'état de fer métallique qui ras- semble le cuivre éventuellement présent et une partie importante de l'argent et de l'or présents dans le minerai, la totalité du constituant zincique du- dit minerai étant pratiquement enlevée sous forme de vapeur de zinc métal- lique qui entraîne avec elle le plomb et le cadmium du minerai, ainsi que le reste de l'argent et de l'or qui y figuraient. Il en résulte que seuls les constituants de la gangue restent à l'état de scorie, ces constituants étant enrichis par la quantité limitée d'oxyde de fer qu'on laisse délibé- rément passer dans la scorie conformément à la présente invention.
Les constituants de la gangue sont formés principalement de chaux et de silice dans le cas de la majeure partie des minerais zincifères et sont généra- lement accompagnés de quantités relativement petites de magnésie et d'alu- mine, augmentées de la présence de constituants similaires analogues à la gangue présents dans les cendres de charbon. Les proportions relatives de ces constituants formant la scorie doivent être règlées'de manière à produi- re une scorie ayant une fluidité suffisante pour permettre au fer fondu pro- duit dans la zone de fusion de s'y déposer régulièrement et pour permettre le développement dans la masse de scorie d'une circulation thermique par convection entre les limites normales opératoires de 1100 à 1450 C. environ.
Une fluidité de la scorie suffisante pour que s'établisse'une circulation thermique appréciable par convection dans la couche de scorie facilite la répartition dans cette couche de la chaleur engendrée aux points des arcs submergés et dans la scorie entre les électrodes. Les conditions d'uniformi- té de température entretenues dans.la couche de scorie contribuent dans une proportion importante à la fusion des minerais zincifères dans un four électrique, sans volatilisation excessive des impuretés formant des pous- sières en même temps que celle du zinc, conformément à la présente invention.
La température relativement uniforme de la surface de la couche de scorie est mise à profit, conformément à la présente invention, pour four- nir à la charge fraîche la chaleur nécessaire à la fusion. On a constaté qu'à cette fin il était bon de fournir la charge au four d'une manière telle (a- vantageusement par la voûte du four) que l'on obtienne une masse de charge flottant sur la scorie.au voisinage des électrodes.
On peut introduire un supplément de charge de temps en temps, avantageusement au voisinage des pa- rois du four, de manière à fournir une couche inclinée de charge, allant vers le bas et vers l'intérieur, qui non seulement protège¯les parois du four mais encore fournit une quantité supplémentaire de charge fraîche dis- ponible pour absorber de la chaleur provenant de la scorieo On a trouvé toutefois que si l'on charge exclusivement le long des. parois latérales du four, il faut chauffer la charge essentiellement par radiation et que ce 'mode de chauffage conduit au développement de températures excessives des scories, ce qui facilite une volatilisation excessive des constituants formant des poussières de la charge.
Quand la charge est fournie principa- lement à la surface de la scorie conformément au procédé selon la présente invention, elle est chauffée en principe exclusivement par la chaleur qui lui est transmise par la scorieo Bien que la scorie soit chauffée par l'arc submergé et par le courant électrique passant dans la scorie elle-même, la surchauffe de la scorie est'empêchée par l'absorption de chaleur par la ma- tière relativement froide et réductible de la charge. Cette absorption de chaleur tend à refroidir la surface de la scorie et fournit donc un tampon de contrôle de la température qui empêche que la température'de fusion de la charge dépasse 1450 C.
En conséquence, la manière suivant laquelle la charge fraîche est fondue et est ensuite utilisée comme milieu de réglage de la température conformément à là présente invention conduit particulière- ment à la mise en liberté dans la zone de fusion de vapeur de zinc exempte d'une quantité d'impuretés volatilisées formant des poussières, suscepti- ble de gêner d'une manière appréciable la condensation de la vapeur de zinc à l'état de métal fondu.
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La condensation des gaz de fusion contenant la vapeur de zinc pro- duite conformément à la présente invention peut se faire facilement d'une ma- nière très efficace. Bien que la vapeur de zinc puisse être efficacement con- densée dans des condenseurs du type fixe à chicane, la condensation peut être effectuée d'une manière particulièrement avantageuse dans un condenseur du type dans lequel la vapeur de zinc est amenée en contact intime avec une sur- face relativement grande fraîchement exposée de zinc fonduo Le dernier type de condenseur est représenté par celui dans lequel les gaz véhiculant la va- peur de zinc circulent à travers une pluie de zinc fondu refoulée dans une zone restreinte de condensation,
ainsi qu'il est déorit dans les brevets des Etats-Unis ? 2.457.544 à 2.4570551 du 28 Décembre 1948 et 2.494.551 du ...
Ce dernier type de condenseur de zinc est susceptible d'enlever et de condenser sous forme de métal fondu la totalité de la vapeur de zinc contenue dans les gaz de fusion, sauf la quantité de vapeur correspondant à la tension de vapeur du zinc fondu à la température des gaz sortant du con- denseur.
Quand on soumet à la fusion des minerais zincifères dans un four électrique conformément à la présente invention, la témprature des gaz de four contenant de l'oxyde de carbone, qui est considérablement inférieure à celle existant dans la zone de fusion, est fréquemment de l'ordre de 900 à 1000 C.
Comme il est bien connu, l'oxyde de carbone tend à se dissocier d'une manière appréciable, à des températures voisines de 900 C. environ et au dessous, en anhydride carbonique et carbone. L'anhydride carbonique constitue un agent oxydant puissant de la vapeur de zinc et tend, par sa présence, à produire des agglomérations d'oxyde et de la poudre bleueMais si une quantité appré- ciable de carbone naissant est en suspension dans les gaz de four, la pré- sence d'anhydride carbonique peut y être supprimée d'une manière sensiblement complète.
On peut obtenir une suspension de ce type de carbone naissant dans l'atmosphère du four en y introduisant une certaine quantité d'un hydrocar- bure craquable telle que son craquage in situ à la température existant dans l'atmosphère du four donne un nuage de particules de carbone naissant analo- gue à la suie. Les particules de carbone, qui sont à la fois à l'état nais- sant et incandescent au moment où elles flottent dans les gaz du four, pa- raissent être extraordinairement efficaces pour réduire l'anhydride carboni- que présent dans ces gaz.
L'hydrocarbure craquable doit être introduit dans l'atmosphère du four en vue du craquage in situ et non pas dans la zone de fusion où il doit être de préférence consumé au cours de l'opération de fusion. On peut par exemple introduire sous forme de pluie dans l'atmosphère du four un .hy- drocarbure craquable constitué par une huile combustible liquide, du kérosè- ne, du gazoil, etc.
On peut également introduire un gaz craquable perma- nent, par exemple du gaz naturel, de l'acétylène, etc., au moyen d'un tuyau dans l'atmosphère du four. On-obtient des résultats particulièrement bons en introduisant l'hydrocarbure craquable sous une forme solide, telle par exemple que les composants volatils des charbons bitumineuxo Quand on rem- place une certaine quantité du charbon anthraciteux ou du coke utilisé en qualité de matière réductrice en vue de l'opération de fusion par une quan- tité équivalente de charbon bitumineux basée sur sa teneur en carbone soli- de, la matière volatile de ce charbon bitumineux présente dans la charge flottant sur la couche-de scorie fondue est rapidement mise en liberté dans l'atmosphère du four, sans être consumée d'une manière appréciable par l'o- pération de fusion.
La quantité d'hydrocarbure craquable utilisée dans ce but n'est pas critique, la teneur en anhydride carbonique des gaz de four é- tant progressivement diminuée par l'introduction de quantités croissantes d'hydrocarbures craquables.
La seule exigence 'quant à la forme physique de la charge utilisée pratiquement dans l'invention est qu'elle doit être à l'état fragmenté et sèche'. Par charge fragmentée, on entend ici une charge qui ne soit pas consti- tuée par un seul bloc massif fritté par exemple. La charge doit être frag- mentée de manière à tomber librement sur la surface de la scorie fondue et s'y étaler proportionnellement à l'angle naturel d'éboulement des particules
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dela charge. Quand on précise que la charge doit être "sèche", on entend qu'elle ne doit pas être introduite à l'état fondu.
Le fait que la charge soit fondue à la surface de la scorie de four fluide chaude constitue un. point caractéristique du procédé de fusion de la présente invention et cet- te condition ne peut être remplie que si la charge est introduite dans le four sous la forme fragmentée et sèche dont on-vient de parler.
Le degré de subdivision du minerai composant la charge n'est pas critique. C'est ainsi qu'on a chargé directement au four électrique, conformément à l'invention, un minerai grillé dont 6,6% étaient retenus au tamis de 74 microns, 4,4% au tamis de 44 microns et 89% étaient d'une di- mension particulaire inférieure à 44 microns. On a également fondu des mi- nerais zincifères frittés dont les particules étaient désordre de 12,7 mm. de diamètre. On a également fondu avec succès des minerais zincifères bruts dont les particules allaient de 6,3 mm. à de plus petites dimensions.
D'u- ' ne manière générale, on préfère limiter la dimension particulaire maximum du minerai de la charge à environ 12,7 mm. Sauf en ce qui concerne le problème posé par les poussières il n'existe pas de limite critique inférieure à la dimension des particules de la charge.
Bien que lès composants de la charge puissent être chargés sépa- rément sur les zones communes de la surface de la scorie, on préfère mélan- ger les composants de la charge avant de les introduire dans le four, soit sous forme de simple-mélange physique, soit sous forme de particules agglo- mérée d'une manière quelconque, de la dimension ordinaire des briquettes de charbon. La charge peut également être préchauffée avantageusement à des températures de l'ordre de 400 à 800 C. suivant la pratique ordinaire du four électrique. On peut utiliser dans ce but un appareil de préchauffage ordinaire approprié, la chaleur étant fournie par une flamme d'hùile ou de gaz ou par la chaleur de combustion des gaz brûlés sortant du condenseur à zinc.
Le procédé de fusion de la présente invention peut être illustré par l'exemple particulier suivant. On fait une charge mixte de 15 parties d'anthracite, 2 parties de charbon bitumineux et 6 parties de chaux en qua- lité de fondant extérieur pour 100 parties en poids d'un mélange de minerai formé de minerai fritté de Buchans River,New Calumet et de résidus verts de minerai consistant en particules séparées de 9,5 mm. de diamètre et moins, Le mélange de minerai présente la composition suivante.:
EMI9.1
<tb> Zn <SEP> 60,00% <SEP> Ag <SEP> 110 <SEP> go <SEP> par <SEP> tonne
<tb>
<tb>
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<tb> Fe <SEP> 6,6 <SEP> % <SEP> Au <SEP> 0,280 <SEP> g. <SEP> par <SEP> tonne
<tb>
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<tb> Pb <SEP> 3,00% <SEP> CaO <SEP> 1,30%
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<tb> Cd <SEP> 0,12% <SEP> SiO2 <SEP> 4,5 <SEP> %
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<tb> Cu <SEP> 0,81% <SEP> MgO <SEP> 0,44%
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<tb> Al2O3 <SEP> 1,1 <SEP> %
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Ce mélange de charge contient assez d'oxyde de fer et d'autres constituants de la scorie pour satisfaire aux exigences opératoires du procédé de fusion de l'invention.
On préchauffe le mélange de charge dans un four chauffé à l'hui- le à une température d'environ 500 Ce et on le charge à des intervalles de 6 minutes successivement à travers une série de six orifices de charge dis- posés près des électrodes dans la voûte' du four. Le four est un four élec- trique monophasé à deux électrodes de 15,25 cm. de diamètre, à 500 kw., du modèle courantOn fait fonctionner le four sous 300 kw, la charge é- tant introduite sous un débit de 4 tonnes par jour.
Les deux électrodes sont immergées dans la couche de scorie sur une profondeur variable allant de 76 à 152 mm., la profondeur de l'immersion étant déterminée par la quan- tité de submersion des électrodes nécessaire pour ,obtenir le fonctionnement de l'arc submergé comme l'indiquent les fluctuations moyennes du courant de l'ordre de 3000 ampères sous une tension de 60 volts à la pointe de l'é- lectrodeo On effectue le chauffage du four par une combinaison d'arc
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submergé et de chauffage par résistance de la scorie. Les gaz de la fusion contenant la vapeur de zinc sont retirés et envoyés dans un condenseur du type à éclaboussement sensiblement identique à celui représenté et décrit dans le brevet des Etats-Unis n 2.494.551 précité.
En raison des procédés de préchauffage et de chargement du four, ainsi que de l'ouverture occasion- nelle du four et du condenseur aux fins d'examen, on en récupère que 81,5% du zinc contenu dans le minerai chargé dans le préchauffeur. L'efficacité remarquable de l'opération de fusion de la présente invention est indiquée avec plus de précision par la composition de la scorie qui montre le degré d'élimination des oxydes métalliques réductibles de la charge.
Les analyses de la scorie complexe produite au cours des quatre jours montrent qu'il n'y reste que 0,33% du zinc, 0,4% du plomb, moins de 0,5% du cadmium, 1% du cuivre, 0,4% de l'argent et moins de 1% de l'or présents dans la char- ge fournie au préchauffeur, le.reste de ces composants étant obtenu sous une forme récupérable dans le zinc métallique condensé et la fonte de fer produits. La condensation de la vapeur de zinc est voisine de 93%, cette proportion se rapportant à la vapeur de zinc admise recueillie sous forme de métal fondu dans le condenseuroLa fonte de fer fondue est retirée par intervalles et contient environ 2% de carbonée La scorie est de même reti- rée par intervalles à une température d'environ 1250 Co et contient en moyenne 2,5% de fer (comptés en Fe) sous forme d'oxyde.
On se'rend donc compte que la présente invention offre un pro- cédé de fusion des minerais de zinc au four électrique présentant un inté- rêt industriel. Le procédé ne demande rien d'autre que l'installation or- dinaire d'un four électrique de fusion et donrie non seulement du zinc mé- tallique mais aussi de la fonte de fer qui tous deux se comportent en tant que collecteurs des sous-produits précieux qu'il est facile de récupérer par les moyens ordinaires. Dans les conditions opératoires normales d'un four industriei, on peut espérer recueillir 96 à 97 % du zinc contenu dans le minerai sous la forme de zinc condensé fondu ne contenant que les impure- tés dont on peut le débarrasser par les procédés ordinaires de raffinage.