<Desc/Clms Page number 1>
PROCEDE DE FUSION DE MINERAIS ZINCIFERES.
La présente invention concerne la fusion des minerais zinoifè- res, et plus particulièrement un procédé de fusion de ces minerais au four électrique..
La fusion au four électrique du zinc offre de nombreux avanta- ges, entre autres la simplicité de la préparation de la charge et de fonc- tionnement du four, en comparaison avec les méthodes actuelles de fusion du zinc. Selon de nombreuses méthodes proposées jusqu'à ce jour pour la fusion des:minerais zincifères au four électrique, on soumet une charge se-., che composée du minerai et d'une matière réductrice à une fusion s'accompa- gnant d'une mise en liberté de vapeur de zinc métallique, mais à la con- naissance de la Demanderesse, aucune opération de ce genre n'a jusqu'ici été réalisée industriellemento Tous les chercheurs:
qui ont tenté de mettre en pratique ces méthodes proposées antérieurement, même sur une petite échelle, sont arrivés à cette conclusion qu'il n'est pas possible de con- denser les gaz ainsi produits contenant de la vapeur de zinc sans obtenir une quantité excessive de "poudre bleue" ou/et de poussière de zinc et ont constaté que la fusion elle-même est caractérisée par un faible rendement ou taux d'extraction du zinc contenu dans la charge et par le fait que l'opération n'est pas continuée Or, la Demanderesse a découvert qu'il est possible d'effectuer sur une échelle industrielle la fusion de minerais zincifères oxydés ou à caractère d'oxyde, dans un four à arc électrique.,
avec production d'une va- peur de zinc métallique susceptible d'être condensée principalement à l'état de zinc métallique massif, mais que ce résultat ne peut être atteint que par une combinaison réglée des conditions de fusion. Ces conditions critiques de fusion résident dans une relation importante entre la compo- sition de la charge et la manière dont la fusion est réalisée. Le contrôle
<Desc/Clms Page number 2>
de ces conditions critiques rend possible la fusion d'un minerai zincifère et d'une matière réductrice carbonée dans un four à arc électrique et la pro- duction d'un laitier fondu sensiblement exempt de zinc, d'une part., et d'une vapeur de zinc métallique susceptible d'être convertie par condensation principalement en zinc métallique massifd'autre part.
Le présent procédé de fusion consiste à assurer la présence dans la composition de la charge d'une proportion d'oxyde de fer suffisante pour que, après réduction par- tielle de cet oxyde, il reste au moins 1,5% en poids d'oxyde de fer (calcu- lé comme Fe) dans le laitier fondu résultant de l'opération de fusion et une masse de fer fondu située au-dessous d'une masse du laitier, à régler le rapport de la matière réductrice à l'oxyde de fer et aux autres oxydes métalliques facilement réductibles qui entrent dans la composition de la charge de manière à effectuer une réduction sensiblement complète desdits autres oxydes métalliques, tout en ne réduisant qu'une proportion de l'oxy- de de fer contenu dans la charge telle qu'il reste dans le laitier au moire 1,5 %, en poids,
mais pas plus d'environ 6 % en poids d'oxyde de fer (cal- culé comme Fe), à produire à l'intérieur du four la chaleur de fusion né- cessaire pour cette réduction par un arc électrique en contact avec la mas- se de laitier fondug et à effectuer la réduction dans une zone de fusion située au-dessus du laitier fondu et sans contact direct avec l'arc de chauffage, de telle sorte que la fusion de la charge s'effectue à une tempé- rature ne dépassant pas 1450 C.
Le procédé de fusion conforme à l'invention est applicable à n'importe quel minerai zincifère à caractère d'oxyde, qu'il s'agisse d'un minerai oxydé naturel ou d'un minerai obtenu par le grillage d'une blende.
La Demanderesse a fondu avec succès de tels minerais typiques dont la te- neur en zinc variait d'un extrême S l'autreo Par exemple,elle a fondu - et obtenu des rendements en vapeur de zinc métallique condensée dépassant 85 % - des minerais ou mélanges de minerais tels qu'un minerai Sterling Hill calcinée d'une teneur en zinc de 20 %, un mélange de minerais Buchans River et New Calumet concrétés avec un minerai brut Sterling Hill calcinée d'une teneur en zinc résultante de 30 %, un mélange concrété de résidus de mine- rais Buchans RiverNew Calumet et "vert" contenant 60 % de zinc., et un mélange de résidus de minerais Avales? Paragaha et "vert" ayant subi un grillage instantané titrant 67,5 % de zinc.
Le laitier coulé résultant de la fusion des minerais sus- mentionnés ne contenait que 0,1 à 0,8 % de zinc. Le reste de la teneur en zinc de chacune des charges en avait été éliminé sous forme de vapeur de zinc métallique et recueilli. 97-98 % au moins du plomb et du cadmium pré- sents dans le minerai ont été éliminés et entraînés par la vapeur de zinc.
On n'a décelé que 0,02 à 0,15 % de fer dans le zinc métallique condensé obtenu conformément au présent procédé., la quantité de fer contenus dans le zinc dépendant alors de la teneur en fer du laitier. Pratiquement, tout le cuivre présent dans le minerai est réduit et concentré dans le fer pro- venant de l'opération de fusion. La majeure partie de l'argent et en sub- stance tout l'or de la charge de minerai se retrouvent dans le fer, le res- te de l'argent se retrouvant dans le zinc métallique condensé. Lorsque le minerai contient du manganèse, comme c'est le cas du minerai Sterling Hill, la majeure partie du manganèse demeure dans le laitier et le reste se retrouve dans le fer.
Par conséquent., abstraction faite du manganèse, lorsque cet élément est présent dans le minerai zincifère fondu conformément à l'invention, tous les constituants de valeur du minerai sont recueillis soit dans le zinc métallique condensésoit dans la fonte de fer à l'état fondu.
Les minerais zincifères à caractère d'oxy.de comprennent géné- ralement du zinc, du cadmium, du plomb, du cuivre., de l'argent et du fer, essentiellement sous forme d'oxydes qui peuvent facilement être réduits par une matière carbonée à des températures de l'ordre de 1100-14000C. ain- si que des oxydes de calcium, de magnésium-et, de silicium qui sont diffici-
<Desc/Clms Page number 3>
lement réductibles dans ces conditions. Il est facile d'obtenir dans un four électrique des--températures de fusion de l'ordre sus-indiqué.
Toute- fois., pour que la charge entière puisse être portée à une température de fusion de cet ordre dans un four électrique en conformité de la technique courante, il faut - et ceci est la caractéristique d'une telle opération - qu'une portion importante de la charge soitportée à une température nette- ment plus élevéeo On a constaté que lorsqu'on chauffe une portion d'une charge résultant de la réduction d'un minerai zincifère à caractère d'oxyde à une température sensiblement supérieure à 1450 C, on observe une tendan- ce marquée à la volatilisation d'un ou plusieurs des constituants de gan- gue ou stériles (chaux, magnésie et silice) que ce soit directement ou/et indirectement.
La chaux, la magnésie et la silice peuvent-se volatiliser directement sous la forme de leurs oxydes, en soi, ou bien ils peuvent se volatiliser indirectement sous la forme des métaux eux-mêmes par la réduc- tion desdits oxydes à l'état métallique, suivie d'une réoxydation des métaux volatilisés par l'oxyde de carbone et l'anhydride carbonique contenue dans l'atmosphère du four. La volatilisation de ces constituants de la gangue au voisinage de l'arc est suivie d'une solidification des vapeurs dans une portion plus froide du four, et les matières solidifiées se retrouvent en- suite dans l'atmosphère du four sous forme de particules analogues à de la poussière.
Il semble que ces particules favorisent la formation de "pou- dre bleue" physique et chimique lorsque les gaz de fusion qui contiennent de la vapeur de zinc sont refroidis en vue de la condensation du zinc. La Demanderesse a aussi constaté que lorsqu'on chauffe une portion de la char- @@ ge non réduite à une température sensiblement supérieure à 1450 C, il s'effectue une volatilisation apparente d'une partie des oxydes métalliques facilement réductibles présents dans la charge. Il semble que ces oxydes métalliques vplatilisés soient réduits dans l'atmosphère du four par con- tact avec de l'oxyde de carbone et qu'il en résulte la production du métal réduit et d'anhydride carbonique, ce dernier étant un oxydant énergique de la vapeur de zinc.
L'explication ci-dessus est fortement étayée par le fait que le développement de températures sensiblement supérieures à 1450 G dans la charge non fondue a été accompagné de la présence, dans le condenseur à zinc, d'un pourcentage anormalement, élevé de métaux tels que le fer et le cuivre., de vapeur de zinc oxydée sous forme de poussière de zinc et de quantités appréciables des constituants stériles de la charge.
La Demanderesse a découvert qu'il est possible de faire en sorte que les températures de fusion auxquelles est soumise une charge zincifère dans un four à arc électrique ne dépasse pas 1450 C si l'on chauffe la charge essentiellement par rayonnement à. partir de l'arc et par le contact de cette charge avec la masse de laitier chaud qui se forme au cours de l'opération de fusion et dont la température (mesurée au moment de sa coulée hors du.four) n'a pas la possibilité de dépasser 1450 C.
Ainsion a découvert qu'une charge zincifère peut être efficacement fon- due pendant que cette charge flotte sous forme d'une masse déliée de par- ticules séparées et sans contact direct avec l'arc de chauffage, à la sur- face du laitier qui est maintenu fluide à des températures d'au moins 1100 C environ. Il semble que la fusion ait lieu essentiellement dans une zone située immédiatement au=dessu& de la surface du laitier, et ce en partie à l'interface de la charge et du laitier et en partie dans la banquette de charge située immédiatement, au-dessus de cet. interface.
L'opé- ration de fusion est endothermique et il en résulta que- la charge- fraîche possède à un degré élevé le pouvoir d'absorber la chaleur de. l'arc et celle de la surface du laitier à la rois par contact et par rayonnement de corps virtuellement noirs. Cette absorption endothermique de chaleur du laitier et de l'arc a pour effet de régler la température du laitier et de la charge non fondue et rend possible le maintien de conditions de fusion qui sont telles que la température ne. dépasse pas la maximum- de. température (1450 C) du laitier.
Au cours de cette opération de fusiong les oxydes de zinc, de
<Desc/Clms Page number 4>
cadmium, de plomb, de cuivre et d'argent sont facilement réduits dans ces conditions de températureo Toutefois, on a découvert que, en comparaison des autres constituants facilement réductibles du minerai zincifère, l'oxy- de de fer se réduit un peu plus difficilement à de telles températures ne dépassant pas environ 1450 C. C'est ainsi qu'on a constaté que la totalité de l'oxyde de zinc et des autres oxydes métalliques facilement réductibles de la charge peut être réduite, alors qu'il reste un peu d'oxyde de fer à l'état non réduito La présence d'oxyde de fer non réduit dans le laitier n'est donc pas incompatible avec une élimination sensiblement complète des autres oxydes facilement réductibles de la charge convertie en laitier.
En fait, on a découvert que la présence d'un tel oxyde de fer résiduel dans le laitier peut être utilisée comme mesure du degré auquel lê carbone ré- ducteur a été consumé au cours de l'opération de fusion. Si l'on permet à toute quantité appréciable de carbone de pénétrer dans la masse de lai- tier fondu, ce carbone favorise la réduction et la volatilisation des constituants stériles du laitier au voisinage immédiat de l'arco L'absence d'une telle quantité préjudiciable de carbone libre dans le laitier est assurée par la présence dans ce dernier d'une quantité,faible mais bien déterminée, d'oxyde de fer non réduit.
Ainsi, on a découvert que si le minerai zincifère introduit dans le four électrique est accompagné d'une quantité d'oxyde de fer suffisante, eu égard aux proportions du carbone et des autres métaux facilement réductibles du minerai, pour que sa réduction partielle donne naissance à du fer métallique et qu'il reste à l'état non réduit au moins 1,5 % d'oxyde de fer-(pourcentage calculé en Fe en poids de la composition de laitier dans laquelle cet oxyde se dissout), prati- quement tout @ le constituant zinc du minerai pourra être réduit sans élever la température de la charge de fusion au-dessus de 1450 C et sans produire des quantités préjudiciables de constituants donnant naissance à des poussières et susceptibles de faire obstacle à la condensation de la vapeur de zinc principalement sous forme de zinc métallique massif.
On a constaté incidemment au cours des recherches que lorsque la totalité du constituant zinc du minerai a été réduite, pratiquement la totalité du cad- mium, du plomb., du cuivre et de l'argent contenus dans le minerai a aussi été réduite.
S'il importe que le laitier produit conformément à l'invention contienne une quantité minimum d'oxyde de fera il y a lieu de noter qu'il existe un maximum pour la¯quantité d'oxyde de fer qu'on peut laisser dans le laitier si l'on veut obtenir des résultats satisfaisants.
Comme il a été indiqué précédemment, le laitier produit dans la zone de fusion s'accu- mule sous forme d'une masse relativement importante, laquelle est directe- ment chauffée par l'arco On a constaté que si cette masse de laitier con- tient une quantité d'oxyde de fer (calculée en Fe) excédant sensiblement 8% environ, les gaz du four contiennent du fer métallique par suite de la ré- duction et de la volatilisation de l'oxyde de fer au voisinage de l'arc électrique., cette conversion de l'oxyde de fer en fer métallique s'accom- pagnant d'une production d'anhydride carbonique.
Ce résultat ressort clai- rement de ce qu'on a observé que lorsque la teneur en oxyde de fer du mi- nerai (calculée en Fe) dépasse sensiblement 6 % environ en poids, le con- densat de zinc métallique contient une quantité de fer métallique anormale- ment élevée et indésirable, du fait qu'elle introduit une complication dans l'affinage subséquent du zinc par rectification.
La limite supérieure (6 % environ) de la teneur en oxyde de zinc du laitier est aussi importante pour une raison entièrement différen- te. La production d'un fer métallique par le présent procédé exige un con- trôle plus poussé de la quantité d'oxyde de fer non réduit restant dans le laitier. Le fer métallique résultant de la réduction de l'oxyde de fer présente suffisamment d'affinité pour le carbone pour qu'il recueille cet élément, à mesure qu'il se forme dans la zone de fusion, en quantité telle que le fer est de ce fait rendu fusible aux températures d'environ 1150 -1450 C qui règnent dans la zone de fusion.
Comme le fer métallique
<Desc/Clms Page number 5>
est plus lourd que le laitier, il tombe au fond du four et s'y accumule.
EMI5.1
Comme dautre part, 1?apport de chaleur de fusion au .four est assuré par l' ap plication de l'arc conformément à 1?invention, la température régnant dans la portion inférieure du four au-dessous de la couche de laitier sera générale- ment un peu inférieure à celle du laitier lui-même.
Pour rendre possible une opération continue du four, il faut que le fer métallique soit maintenu à un état fondu se prêtant à sa coulée pendant que l'opération'de fusion se
EMI5.2
poursuit à une température nexcédant pas 1150 Co Si le fer contient au moins 195 à 2 % de carbone, son point de fusion sera inférieur à 7,L50 C et si le laitier qui surnage n'a pas un caractère exagérément oxyde, le fer sera automatiquement carburé dans la mesure nécessaire par la matière carbonée présente dans la chargeo On a constaté que des laitiers contenant plus de
EMI5.3
6 % environ d,9oxyde de fer (calculé en Fe) ont un caractère d'oxyde si pous- sé qu9ils empêchent la carburation du fer au degré voulu.
Dans l'autre cas
EMI5.4
extrême., si la teneur-en oxyde de fer du laitier neest que de 1-'ordre de 1.,5 % en poids (calculé en Fe)., le fer produit contiendra environ 4 de carbone et sera fondu à environ 1150 Co Par conséquent, en proportionnant les constituants de la charge de façon à ce que3ls donnent un laitier con- tenant entre 1,5 % et 6 %' de fer sous forme doxyde de fer, comme il a été précédemment décrite on assurera la production d9une fonte de fer à l'état
EMI5.5
fondu, tout en maintenant une température de fusion ne dépassant pas 145000.
On voit par conséquent que le fait dassurer entre les consti- tuants de la composition de la charge une relation propre à effectuer une réduction sensiblement complète du constituant zinc du minerai et à produi-
EMI5.6
re un laitier fondu contenant au moins 195 en poids d'oxyde de fer (cal- culé en Fe) mais n'en contenant pas plus d'environ 6 z9 est important en ce qui concerne la production d'une vapeur de zinc métallique susceptible d'être convertie par condensation principalement en zinc métallique massif.
EMI5.7
Le maintien d'une proportion au moins, égale â. 1,5 % d!1 oxyde de fer dans le laitier empêche la charge et le laitier de se surchauffer à un degré tel qu'il en résulte la volatilisation des- constituants stériles du minerai ou de certains des oxydes métalliques facilement réductibles de la charge.,
EMI5.8
en provoquant finalement la production danhydride carbonique dans 1-'at- mosphère du four, où ce gaz peut oxyder la vapeur de zinc et la convertir en poussière de zinc.
Le maintien deune limite supérieure d'environ 6 % d'oxyde de fer dans le laitier produit permet. d'obtenir du fer susceptible de'être coulée tout en réalisant la fusion du minerai zincifère à une tem-
EMI5.9
pérature ne dépassant pas environ 1450 Gj il assure en outre une teneur en oxyde de fer de la masse de laitier fondu exposée à 1-lare de chauffage suf- fisamment faible pour empêcher la volatilisation d'une proportion du fer du laitier assez élevée pour contaminer à un degré'préjudiciable le zinc mé- tallique condensé.
EMI5.10
. La quantité d9xyde de fer qui doit être présente dans la char- ge du four ne peut pas être déterminée avec une certitude analytiqueo Comme il a été spécifié précédemment., il convient que cette teneur soit au moins suffisante pour que, après sa réduction partielle, il reste dans le laitier
EMI5.11
au moins 1,5 % de fer (Fe) sous forme d9oxyde, En générale la teneur en oxy- de de fer de la charge devra être de l'ordre d'au moins 2=3 % de fer (Fe) en poids (sur la base de la portion métallifère de cette charge, o9est=-à-di- re à 1.\1 exclusion de la matière réductrice et d'une addition éventuelle de fondant) Ains,
des minerais zîncîfêres à caractère d'oxyde dont la teneur en fer ne dépasse pais 2 à 3 % peuvent être fondus efficacement par le pré-
EMI5.12
sent procéder sans exiger l'addition de quantités supplémenta-ires à90xydes de fer provenant d9une source extérieur@o Si cette teneur en oxyde de fer des minerais zincifères rabaisse à une valeur inférieure à environ 2 %, il est bon d'y remédier par l'addition d'une quantité supplémentaire d'oxyde
EMI5.13
de fer provenant de toute source appropriée.
Il n9existe pas de maximum critique pour la quantité d'oxyde de fer que peut contenir la charge fondue conformément à l'invention, les seules limites étant celles dictées par des raisons économiques, en ce sens que la fusion d'une quantité excessive
<Desc/Clms Page number 6>
d'oxyde de fer se traduit par un gaspillage d'énergie électrique et de matiè- re réductrice.
Les matières réductrices convenant à la mise en oeuvre de l'in- vention sont les matières carbonées solides habituellement utilisées dans les opérations de fusion métallurgiques. Ainsi, le charbon et le coke con- viennent particulièrement, de préférence sous forme de particules variant d'un maximum de 12,5 mm environ de diamètre à la grosseur des particules du poussier de charbon.
La quantité de matière carbonée à utiliser dans la mise en oeuvre de l'invention doit être telle qu'elle assure une réduction sensiblement complète de l'oxyde de zinc du minerai, conjointement avec cel- le des quantités relativement faibles d'oxydes facilement réductibles (plomb, cadmium, cuivre et argent) qui l'accompagnent, ainsi que la réduc- tion d'une proportion de l'oxyde de fer contenu dans la charge telle qu'il reste à l'état non réduit dans le laitier au moins 1,5 % de fer sous forme d'oxyde de fera On peut régler la quantité de carbone de la charge par des analyses occasionnelles du laitier, la proportion correcte de carbone de la charge étant indiquée par le fait que la proportion de fer présente dans le laitier sous forme d'oxyde de fer est comprise entre 1,5 % et 6 %.
Le maintien de la teneur en oxyde de fer sus-mentionnée du laitier et le maintien d'une température de fusion n'excédant pas 1450 C (mesurée par la température du laitier lors de la coulée de celui-ci) sont des caractéristiques importantes du présent procédé. C'est la combinaison de ces caractéristiques qui permet de fondre le minerai de manière telle qu'on obtienne une vapeur de zinc métallique susceptible de se convertir par condensation principalement en zinc métallique massif. Le constituant zinc du minerai, de même que les autres métaux facilement réductibles du minerai, tend à empêcher la fusion de la charge.
Il en résulte que le mine- rai n'a pour ainsi dire pas tendance à fondreau-dessous d'environ 1450 C tant que la totalité du zinc et des autres oxydes métalliques facilement réductibles qui absorbent la chaleur n'a pas été sensiblement éliminée de la charge par l'opération de fusion. Il est par conséquent possible, à condition de maintenir une température de fusion n'excédant pas 1450 C, d'effectuer la fusion du minerai pendant que celui-ci est maintenu au-des- sus de la surface de la couche de laitier fondu, ce qui procure les avan- tages qui seront indiqués plus loin. Après que les métaux réductibles ont été éliminés par fusion¯, les constituants stériles du minerai donnent nais- sance à un mélange relativement fusible et, par leur accumulation., forment la masse de laitier.
Au cours des recherches expérimentales, on a essayé d'effectuer le chauffage du four de fusion par les procédés courants du chauffage élec- trique par arc libre et par résistance du laitier. Aucun de ces procédés n'a permis d'obtenir la vapeur de zinc désirée susceptible de donner par condensation du zinc métallique massif tout en évitant la production simul- tanée de quantités excessives de poussière de zinc. Le chauffage direct de la charge fraîche à l'arc libre au degré nécessaire pour porter la charge à une température de fusion a occasionné près de l'arc une surchauffe lo- cale si intense- qu'il en est résulté la production d'énormes quantités de poussière de zinc.
On a alors tenté d'effectuer le chauffage électri- que de four essentiellement par la résistance du laitier et, à cette fin, . on a effectué l'opération de fusion de manière à produire une couche rela- tivement épaisse de laitier, les électrodes étant immergées assez profondé- ment dans ce laitier pour produire un courant de chauffage régulier indi- quant l'absence à peu près complète d'un arc.
Il a été constaté que le taux d'absorption de chaleur qui résulte de la fusion de la charge fraîche près de la surface du laitier est si élevé., par rapport à la quan-tité de chaleur fournie au laitier par ce procédé de chauffage du laitier, qu'il provoquait le refroidissement de la surface de la couche de laitier et que, à mesure que ce refroidissement avait lieu, la résistance de la portion relativement froide du laitier augmentait, de sorte que le courant ne traversait plus que
<Desc/Clms Page number 7>
la portion la plus basse, relativement chaude, de la couche de laitier, en suivant un chemin comprenant la couche de fer fondu.
La surface de la cou- che de laitier se solidifiait de ce fait rapidement, et il devenait pratique- ment impossible de fondre aucune charge supplémentaireo
On a toutefois découvert que des minerais zincifères peuvent être fondus dans un four à arc électrique avec des résultats satisfaisants si la charge., réglée de la manière précédemment décrite, est fondue sans contact direct avec l'are de chauffage.
Conformément à l'invention, la chaleur de fusion est communiquée à la charge par l'intermédiaire de la mas- se de laitier fondu maintenue dans le four et par rayonnement de l'arc vers la chargée Ainsip bien que l'arc soit directement au contact de la masse de laitier fondu et que la chaleur ainsi engendrée à la surface'du laitier soit transmise à la charge sèche située au-dessus d'elle, la charge elle-mê- me nest pas chauffée par contact direct avec l'arc de chauffage. La ré- duction des oxydes métalliques facilement réductibles s'effectue ainsi dans une zone de fusion située au-dessus de la masse de laitier fondu,
le laitier qui se forme au. cours de cette réduction s'écoulant vers le bas pour re- joindre la masse principale de laitiero Grâce à ce procédé de fusion., on est sûr que les oxydes métalliques réductibles seront à peu près complètement éliminés de la charge au moment ou celle-ci aura été convertie en produits métalliques susceptibles dêtre recueillis et en un. laitier fondu.
Le lai- tier qui s'accumule ainsi est essentiellement libéré des oxydes facilement réductibles (à l'exception de la quantité d'oxyde de fer sus-mentionnée) avant qu'il vienne directement au contact de Parc de chauffageo On a con- staté que ce procédé de fusion aboutit et est essentiel à la production dans un four à arc électrique de gaz de. fusion qui contiennent de la vapeur de zinc et susceptibles de donner par condensation principalement- du.
zinc métallique massif, plutôt que de la-poussière de zineo
Au cours de l'opération de fusion, la majeure partie du consti- tuant fer du minerai est convertie par réduction en fer métallique qui-re- cueille le cuivre et une portion importante de l'argent et de l'or suscep- tibles d'être présents dans le minerai, pratiquement la totalité du zinc du minerai se séparant sous forme d'une vapeur de zinc métallique qui en- traîne le plomb et le cadmium contenus dans la minérale avec le reste de l'argent que ce minerai est susceptible de conteniro Il ne reste donc comme laitier que les constituants stériles±)
auxquels sajoute la quantité limitée d'oxyde de fer dont on assure délibérément le maintien dans le lai- tier en conformité de la présente invention Dans le cas de la plupart des minerais zincifères les constituants stériles sont-principalement com- posés de chaux et de silice et sont généralement accompagnés de quantités relativement faibles de magnésie et d'alumine et des constituants stériles similaires que- contient la cendre de charbon. Il importe de régler les proportions relatives de ces constituants de formation du laitier de telle manière que le laitier obtenu soit suffisamment fluide pour permettre au fer à l'état fondu de le traverser facilement et ce avec un taux ou débit au moins aussi élevé que le taux de
production du fer dans- la zone de fusion, dans l'échelle normale des températures de travail, soit environ 1100-1450 C.
Une telle fluidité du laitier facilite- la répartition de la-chaleur dans - toutes les parties dudit laitier, et la température uniforme- qui en- résulte- du laitier contribue à un degré important au but visée à savoir la. possibi- lité de fondre des minerais- zincifères dans un four à arc électrique en produisant une vapeur de zinc métallique susceptible d'être convertie par condensation principalement en zinc métallique massif.
La fusion de la charge sèche dans une zone surmontant la masse de laitier fondu et sans contact direct avec 1-lare de chauffage oblige à charger le four à travers des orifices situés au-dessus de la couche de laitier et à distance des électrodes. On satisfait à ces desiderata en ef- fectuant le chargement à travers, la voûte du four par des ouvertures pré- vues en des points voisins des parois latérales du four et en faisant en
<Desc/Clms Page number 8>
sorte que le taux d'admission de la charge soit tel, par rapport à son angle d'éboulement et à la géométrie du four,
qu'il en résulte la formation d'une banquette de charge dont le talus s'incline vers l'intérieur et vers le bas pour se terminer en un lieu de la surface de la masse de laitier où il est hors de contact direct de Parc qui se forme entre chacune des électrodes et ladite masse de laitiero Après que la banquette de charge a été formée, les charges subséquentes introduites à travers les ouvertures de la voûte glissent ou roulent sur la face d'éboulement de la banquette et se distri- buent en grande partie sur la surface de la masse de laitier fondu. La por- tion supérieure de la charge ainsi déposée est portée à la température de fusion par le rayonnement qui a lieu à partir de l'arc, ainsi que par la chaleur qui lui est transmise par le laitier.
Une surchauffe générale du laitier par les arcs est en grande partie empêchée par le fait que la matiè- re réductible contenue dans la charge en contact avec le laitier emprunte de la chaleur audit laitier. Cette absorption de chaleur tend à refroidir la surface du laitier et constitue de ce fait un facteur de régulation qui empêche le développement à l'intérieur de la charge d'une température de fusion sensiblement supérieure à environ 1450 C. Par conséquent, la façon dont s'effectue la fusion de la charge fraîche et la fagon dont cette char- ge elle-même est utilisée comme agent régulateur de température conformé- ment à l'invention favorisent particulièrement la mise en liberté, hors de la zone de fusion, d'une vapeur de zinc métallique susceptible de se con- denser principalement sous forme de zinc métallique massif.
La seule condition relative à l'état physique de la charge utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention est qu'elle soit déliée et sèche. Par "déliée", on entend ici qu'il faut éviter que la charge soit introduite sous une forme massive., par exemple sous forme de gros blocs concrétés ou similaires. Il faut au contraire qu'elle soit déliée de façon qu'elle puisse s'écouler librement sur la surface de la banquette de charge et glisser ou rouler vers le bas jusqu'à la surface de la couche de laitier. Par "sèche", on entend que la charge ne doit pas être ajoutée à l'état fondu.
Une caractéristique du présent procédé de fusion est la condition que la charge soit fondue au-dessus de la surface du laitier fluide et chaud, et cette condition ne peut être remplie que si la charge est introduite dans le four à l'état délié et sec, comme il a été men- tionné plus haut.
Le degré de subdivision du constituant minerai de la charge n'est pas critique. Par exemple., on a introduit directement dans le four électrique, selon la présente invention., un minerai ayant été soumis à un grillage instantané et qui était composé de particules dont 6,6 % étaient retenus sur un tamis à ouvertures de maille de 74 microns 4,4 % étaient retenus sur un tamis à maille de 44 microns et 89 % passaient au travers d'un tamis à maille de 44 microns. On a aussi fondu un minerai zincifère concrété dont les particules atteignaient 12,7 mm de diamètre. Un minerai zincifère brut dont les particules avaient au plus environ 6,3 mm de dia- mètre a aussi été fondu avec succès.
En général, il est préférable de li- miter à environ 12,7 mm de diamètre la grosseur de particule maximum du minerai de la charge. A part le problème des poussières., il n'y a pas de limite inférieure critique dans la grosseur de l'une quelconque des parti- cules de la charge.
On a en outre découvert qu'on peut notablement augmenter le rendement de la condensation (rapport du zinc métallique fondu obtenu à la quantité de zinc introduite dans le four) en chauffant préalablement la charge du four. Ce préchauffage n'a pas d'effet perceptible sur l'opéra- tion de fusion, considérée en soie abstraction fait d'une réduction de l'énergie nécessaire pour la fusione Il semble que l'amélioration apportée au rendement de la condensation par le préchauffage de la charge du four soit le résultat d'un meilleur contrôle de la température des gaz du four.
L'introduction d'une charge froide dans le four provoque le refroidissement
<Desc/Clms Page number 9>
des gaz de fusion qui s'élèvent près de-la banquette'de charge par la char- ge relativement froide. On sait qua l'oxyde de carbones qui est le consti- tuant non condensable prédominant de 1?atmosphère du four, se dissocie à un degré marqué en anhydride carbonique et en carbone à des températures de
EMI9.1
1?ordre de 9000-100000.
Il est donc probable que le contact entre les gaz de fusion montante,-riches en oxyde de carbone, et une charge relativement froide du four refroidit ces gaz à une température de l'ordre sus-indiqué et provoque de ce fait une tendance de 1?oxyde de carbone à se dissocier.
EMI9.2
La production d9anhydrîde carbonique qui en résulte occasionne une oxydation immédiate de la vapeur de zinc, qui se'retrouve dans le condenseur sous forme de pousssière de zinc.
-Au contraire,, le fait de préchauffer la char- ge à une température d'au moins 5000 au moment oû elle est introduite dans le four permet à la charge d'être chauffée en présence des gaz de fusion montants sans refroidir ces gaz à un degré tel qu'ils abaissent leur tempé-
EMI9.3
rature à 1?échelle sus-indiquée, provoquant la dissoaiàtimde l'oxyde de carbone, ou à une température-a laquelle 1?anhydride carbonique déjà pré- sent dans l'atmosphère du four oxyde la vapeur de zinc.
EMI9.4
Un préchauffage plus poussé de la charge, c-'est-à=dire à une température d'au moins 800 C, diminue davantage encore la teneur en anhydrL- de carbonique des gaz du four.
L'oxyde de suivre et 1?oxyde ferrique de la charge du four sont réduits par leur contact avec l'oxyde de carbone contenu dans 1?atmosphère du four1?oxyde de carbone étant converti en anhydride carbonique mais si 1?oxyde de cuivre et 1?oxyde ferrique peuvent être soumis à une réduction préalable avant leur introduction dans le four les produits de cette réduction (oxyde cuivreux ou cuivre métallique et oxyde ferreux) ne donnent pas naissance à des quantités préjudiciables d'an- hydride carbonique lorsqu$ils- sont exposés à l'oxyde de carbone dans l'opé- ration de fusiono Ainsi quil a été constaté,
le préchauffage de la charge
EMI9.5
de minerai et dé charbon à une température d9au moins 80000 effectue la ré- duction préalable s.smmentionnéeg avec les avantages qui en résultent dans la condensation de la vapeur de zinc des gaz de fusion. Pour tirer le meilleur parti possible de cet avantage, il importe que la charge préchauffée soit transférée au four de fusion en évitant le pins-possible tout refroidissement susceptible de réoxyder le cuivre et le faro
On a aussi découvert que si 1?on mélange de la chaux (CaO) provenant d9une source étrangère avec les constituants de la charge avant l'opération de préchauffage.!) celle-ci, qui effectue la combustion d'une partie du carbone de la charge, tend à produire de l'anhydride carbonique qui,
à son tour, convertit le constituant chaux du minerai en carbonates. Or. ces carbonates représentent une source de gaz anhydride carbonique dont la présence doit être évitée-chaque fois que cela est possibleo On estime par
EMI9.6
conséquent qu9i1 est préférable de n.9ajt>uteI" à titre de fondant éventuel, à la charge soumise au précawffage9 aucune chaux de source étrangère.
La condensation des gaz de fusion chargés de vapeur de zinc produite conformément à 1?invention peut aisément être réalisée d'une ma-
EMI9.7
nière très efficace. Cette vapeur peut être conclengée efficacement dans des condenseurs fixes du type à chicanes tels que celui décrit dans le brevet délivré aux E.U.A. sous le No in8730261 le 23 août 1932., mais il est par- ticulièrement avantageux d9utîliser un condenseur du type dans lequel la vapeur de zinc est amenée en contact intime avec une surface fraîchement ex- posée et relativement grande de zinc fondu.
Dans ce dernier type de conden- saur,9 les gaz chargés de vapeur de zinc traversent une pluie de gouttelet-
EMI9.8
tes de zinc fondu projetées avec force à travers une zone de condensation limitée, comme décrit dans les- brevets des E.U.A. délivrés- sou& les
EMI9.9
No 204570544 à 204570551 tous du 28 décembre 1948 et ceux délivrés sous les lVoso 20194n551 et 2.494-552 en date du 17 ravier 19500 Ce dernier type de condenseur de zinc est capable d?éliminer et condenser en métal fondu tou- te la vapeur de zinc contenue dans les gaz de fus-ion,9' à l'exception de la quantité de vapeur qui correspond à la tension de vapeur du zinc fondu à la
<Desc/Clms Page number 10>
température des gaz d'échappement du condenseur.
Au cours de la fusion de minerais zincifères dans un four élec- trique conformément à l'invention.\! la température des gaz de four contenant de l'oxyde de carbone est susceptible d'être comprise dans l'échelle pour laquelle l'oxyde de carbone tend à se dissocier à un degré appréciable en anhydride carbonique et en carbone Gomme l'anhydride carbonique est un puissant oxydant de la vapeut de zinc,, il tend à produire des accumulations solides d'oxyde et de la poudre bleue. Toutefois, si l'on fait en sorte qu'une quantité appréciable de carbone naissant soit maintenue en suspension dans les gaz du four.9 la présence d'anhydride carbonique dans ces gaz pour- ra être à peu près complètement éliminée.
On peut obtenir une telle suspen- sion de carbone naissant en introduisant dans 1$ atmosphère du four un hydro- carbure craquable en quantité telle que lorsque cet hydrocarbure est craqué dans ladite atmosphère à la température qui y règne., il forme un nuage de particules de carbone naissant semblables à des particules de suie. Ces particules, qui sont à la fois à l'état naissant et à l'état incandescent au moment où elles flottent dans les gaz du four se sont avérées comme extraordinairement propres à réduire la teneur en anhydride carbonique de ces gaz.
Il faut que l'hydrocarbure craquable soit introduit dans l'at- mosphère du four, pour y être craqué in situ et non dans la zone de fusion où il pourrait être consumé préférentiellement au cours de l'opération de fusion. On peut par exemple introduire cet hydrocarbure craquable sous forme d'une huile combustible liquide, de kérosène,de gas oil, etc., en le faisant tomber goutte à goutte dans l'atmosphère du four. Un gaz cra- quable permanent., tel qu'un gaz naturel, l'acétylène, etc., peut aussi être introduit par un tube à l'intérieur de 1'atmosphère du four.
On a obtenu des résultats particulièrement efficaces en introduisant 1-'hydrocarbure craquable sous une forme visiblement solide obtenue à titre de constituant volatil d'un charbon bitumineux. Si l'on substitue à une certaine propor- tion de la quantité d'anthracite ou de coke utilisée comme matière réduc- trice pour l'opération de fusion une quantité équivalente, basée sur la teneur en carbone solide, de charbon bitumineux, la matière volatile que contient ce charbon bitumineux présent dans la charge flottant sur la cou- che de laitier fondu sera rapidement libérée et pénétrera dans l'atmosphère du four sans avoir été consumée à un degré appréciable par l'opération de fusion.
La quantité d'hydrocarbure craquable utilisée à cette fin-n'est pas critique, la teneur en anhydride carbonique des gaz du four étant pro- gressivement diminuée par l'introduction de- quantités croissantes d'hydrocar- bure craquable dans ces gaz.
Le procédé de fusion conforme à l'invention est illustré par 1-'exemple particulier suivant,. La fusion a été réalisée dans un four à courant triphasé de la construction habituelle, d'une puissance de 1500 KW, pourvu de trois électrodes en graphite de 25 cm de diamètre, disposées en ligne droite avec un écartement d'axe en axe de 63 cm. Deux trous de cou- lée, placés l'un à 35,5 cm au-dessus de l'autre.\! ont été prévus pour effec- tuer la coulée séparée d'un produit de fer fondu et d'un laitier fondu.
La voûte du four était pourvue de treize trous de chargement situés près des mars latéraux. Cette voûte était en outre pourvue d'un orifice d'échap- pement de gaz de fusion qui communiquait, par un conduit vertical ayant une section transversale de 38 cm sur,45.,7 cm, avec un condenseur à barbottage conforme au brevet des E.U.A. No 2.494.551 précité. Le condenseur était disposé à proximité du four de telle sorte que, dans- les- conditions de tra- vail du four qui seront indiquées ci-après, les- gaz du four pénétraient dans ce condenseur à une température de 1000-1050 C.
La charge du four., qui avait été préchauffée à 800 -850 C dans un four chauffé à l'huile, était un mélange de minerais ayant après concré- tion la composition suivante @
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
Zh 6l.D7 CÚ,9 Ag, Au Zéro Fe 4,7 % CaO 2,5 $ Pb 1 4 % 3102 2j16 %
EMI11.2
<tb> Cd <SEP> 0,18 <SEP> %
<tb>
Le four, préalablement porté à la température de travail nor- male,
a travaillé pendant une période de quatre jours dans les conditions de fusion indiquées par les chiffres journaliers moyens suivants
EMI11.3
<tb> Charge <SEP> fraîche <SEP> de <SEP> minerais <SEP> 8a500 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Poudre <SEP> bleue <SEP> recyclée <SEP> 10035 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Anthracite <SEP> 1.425 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb> Charbon <SEP> bitumineux <SEP> 195 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chaux <SEP> 205 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Poids <SEP> de <SEP> la <SEP> charge <SEP> totale <SEP> 110360 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nouveau <SEP> minerai <SEP> charge;
? <SEP> zinc, <SEP> plomb <SEP> 50660 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> et <SEP> cadmium
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zinc <SEP> recycle <SEP> sous <SEP> forme <SEP> de <SEP> poudre <SEP> 840 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> bleue
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Total <SEP> du <SEP> zinc, <SEP> du <SEP> plomb <SEP> et <SEP> du <SEP> cadmium <SEP> 60500 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> la <SEP> charge.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Fer <SEP> total <SEP> de <SEP> la <SEP> charge <SEP> de <SEP> minerai <SEP> 400 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Total <SEP> du <SEP> zinc, <SEP> du <SEP> plomb., <SEP> du <SEP> cadmium <SEP> 6.900 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> et <SEP> du <SEP> fer <SEP> de <SEP> la <SEP> charge
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Métal <SEP> condensé <SEP> coulé <SEP> 50180 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Production <SEP> de <SEP> zinc <SEP> sous <SEP> forme <SEP> de <SEP> poudre
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> bleue <SEP> 1.030 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Total <SEP> des <SEP> deux <SEP> 6.210 <SEP> kg
<tb>
EMI11.4
Rendement en zinc, plomb et cadmium 60210 x 100 = 9599 contenue dans les produits du condenseur 6e500 73N7 Rendement du condenseur .180 100 = 83 l % 60210 ? Rapport du métal condensé coulé au total à 100 = 91y5 de zinc,
plomb et cadmium de minerai 50660 charge
EMI11.5
Température de la voûte 1250-1300 C Température du laitier 1350-14500C
EMI11.6
<tb> Tension <SEP> des <SEP> électrodes <SEP> 123 <SEP> V
<tb> Energie <SEP> appliquée <SEP> 180000 <SEP> KWH
<tb>
<tb> Energie <SEP> appliquée <SEP> par <SEP> kg <SEP> de <SEP> minerai <SEP> frais <SEP> 0,96 <SEP> KWH
<tb>
EMI11.7
Energie appliquée par kg de Zen + Pb + Cd Fe
EMI11.8
<tb> du <SEP> minerais <SEP> fraie- <SEP> 1.935 <SEP> KWH
<tb>
<tb>
<tb> Energie <SEP> appliquée <SEP> par <SEP> kg <SEP> de <SEP> métal <SEP> condensé
<tb>
<tb>
<tb> coulé <SEP> + <SEP> Fe <SEP> réduit <SEP> 1,47 <SEP> KWH
<tb>
<tb>
<tb> Energie <SEP> appliquée <SEP> par <SEP> kg <SEP> de <SEP> métal <SEP> condensé <SEP> coulé <SEP> 1,58 <SEP> KWH
<tb>
Analyse du laitier
EMI11.9
<tb> Zn <SEP> 0,4-0,
8 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe <SEP> 1,1-2,5 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pb <SEP> <0,03 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cd <SEP> <0,01 <SEP> %
<tb>
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb> Cu <SEP> Néant(le <SEP> minerai
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ag <SEP> Néant) <SEP> n'en <SEP> conte-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Au <SEP> Néant( <SEP> nait <SEP> pas
<tb>
Elimination estimée sur la base de l'analvse du laitier et des poids estimés du laitier
EMI12.2
<tb> Zn <SEP> 99,9 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Fe <SEP> 92,5 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Pb <SEP> 9996 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Gd <SEP> 99
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> Néant(le <SEP> minerai
<tb>
<tb>
<tb> Ag <SEP> Néant)n'en <SEP> conte-
<tb>
<tb>
<tb> Au <SEP> Néant(nait <SEP> pas
<tb>
Dans cette opération,
la charge a été continuellement admise au four de manière à former à l'intérieur du four une banquette de charge à talus inclinée tout en laissant un bain de laitier exposé qui était situé centralement au voisinage des électrodes et avait approximativement 1,47 m de largeur et 1,82-2,13 m de longueur. On a constaté qu9une partie de la charge paraissait avoir été fondue sur la face de la banquette par le rayonnement de chaleur émanant de 19 arc formé entre chacune des électrodes et la masse de laitier, mais il semble que la zone de fusion principale ait été la portion de la banquette de charge adjacente au bain exposé de laitier fondu.
Le laitier lui-même était suffisamment fluide pour permettre au fer métallique fondu qui sétait formé dans la zone de fusion de se déposer en descendant à travers ledit laitier, et ce laitier était fluide lorsqu'il a été coulé à une température comprise entre 1350 et 1450 C. Pratiquement- aucune portion de la charge n'était exposée au contact direct des arcs chauffants. Le zinc a été recueilli à 19'état fondu massif., conjointement avec la majeure partie du plomb et du cadmium qui étaient initialement pré- sents dans le mineraio Ce zinc était suffisamment pauvre en fer pour ne pas donner lieu aux difficultés qui auraient pu résulter d'une accumulation de scories dans le condenseur.
L'élimination du zinc.9 du plomb et- du cad- mium a été aussi élevée qu'il pourrait être désirée 1-'élimination du fer ayant intentionnellement été un peu plus faible. Dans des- opérations réa- lisées sur d'autres minerais contenant-du cuivre., de 1-'argent et de l'or, 19 élimination de ces constituants a été également satisfaisante.
Par exemple,, dans une opération semblable réalisée sur un minerai concrété ti- trant, par tonne., 56,6 % de zinc, 16 % de fer, 0,28 % de plomba 0,15 % de cadmium, 1,9 % de cuivre., 74 gr d'argent et 0,3 gr d'or, les- éliminationa de ces éléments d'avec le laitier ont été de 99,7 % pour le zinc? de 98,6 % pour le plomba de 992 % pour le cadmium, de 98,7 % pour le cuivre,!) de 99,5 % pour l'argent et la totalité de l'or.
On voit par conséquents que la présente invention offre un procédé de fusion de minerais zincifères au four électrique qui présente de grands avantages du point de vue commercial. Ce procède n'exige rien d'autre qu'un équipement de four électrique classique pour 1-'opération de fusion et donne à titre de produits non seulement du zinc, mais aussi une fonte de fer, ces deux produits ayant l'un et l'autre recueille des-sous- produits métalliques de valeur susceptibles d'être facilement isolés par des méthodes classiques.
En opérant sur une échelle industrielle et dans les conditions de travail normales, il semble qu'on ait toute raison d'es- compter 1?extraction de 96-97 % du constituant zinc du minerai sous forme de zinc fondu condensé ne contenant, que celles .des impuretés qui sont ac- tuellement éliminées d'un tel produit par l'affinage ordinaire. L'inven- .tion permet une extraction sensiblement complète des constituants- plomba cadmium.9 cuivre, argent et or du minerai zincifère, le plomb., le cadmium et une partie de l'argent étant recueillis du zinc métallique condensée alors que le cuivre,\) le resta de l'argent et l'or peuvent être recueillis du produit fer dans un convertisseur du cuivre ou appareil similaire.